Een team van ingenieurs aan de Universiteit van Californië in San Diego heeft een magnetische inkt ontwikkeld die kan worden gebruikt om zelfherstellende batterijen te maken, elektrochemische sensoren en draagbare, op textiel gebaseerde elektrische circuits.

Het belangrijkste ingrediënt voor de inkt zijn microdeeltjes die in een bepaalde configuratie worden georiënteerd door een magnetisch veld. Door de manier waarop ze georiënteerd zijn, deeltjes aan beide kanten van een traan worden magnetisch tot elkaar aangetrokken, waardoor een apparaat bedrukt met de inkt zichzelf geneest. De apparaten repareren scheuren zo breed als 3 millimeter - een record op het gebied van zelfherstellende systemen.

Onderzoekers beschrijven hun bevindingen in het nummer van 2 november van wetenschappelijke vooruitgang .

"Ons werk is veelbelovend voor wijdverbreide praktische toepassingen voor duurzame gedrukte elektronische apparaten, " zei Joseph Wang, directeur van het Center for Wearable Sensors en voorzitter van de afdeling nanoengineering van UC San Diego.

Bestaande zelfgenezende materialen hebben een externe trigger nodig om het genezingsproces op gang te brengen. Ze doen er ook een paar minuten tot meerdere dagen over om te werken. Daarentegen, het door Wang en collega's ontwikkelde systeem heeft geen externe katalysator nodig om te werken. Schade wordt binnen ongeveer 50 milliseconden (0,05 seconden) gerepareerd.

Ingenieurs gebruikten de inkt om batterijen te printen, elektrochemische sensoren en draagbare, op textiel gebaseerde elektrische circuits (zie video). Vervolgens begonnen ze deze apparaten te beschadigen door ze door te snijden en uit elkaar te trekken om steeds grotere gaten te creëren. Onderzoekers beschadigden de apparaten herhaaldelijk negen keer op dezelfde locatie. Ze hebben ook op vier verschillende plaatsen op hetzelfde apparaat schade toegebracht. De apparaten herstelden zichzelf nog steeds en herstelden hun functie terwijl ze een minimale hoeveelheid geleiding verloren.

Bijvoorbeeld, nanoengineers printten een zelfherstellend circuit op de mouw van een T-shirt en verbond het met een LED-lampje en een knoopbatterij. De onderzoekers sneden vervolgens het circuit en de stof waarop het was afgedrukt. Op dat punt, de LED ging uit. Maar binnen een paar seconden begon het weer te draaien toen de twee kanten van het circuit weer bij elkaar kwamen en zichzelf genas, geleidbaarheid herstellen.

"We wilden een slim systeem ontwikkelen met indrukwekkende zelfgenezende eigenschappen met gemakkelijk te vinden, goedkope materialen, " zei Amay Bandodkar, een van de eerste auteurs van de papers, die zijn Ph.D. in het lab van Wang en is nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Northwestern University.

fabricage:

Wang's onderzoeksgroep is een leider op het gebied van geprinte draagbare sensoren, dus zijn team van nano-ingenieurs wendde zich natuurlijk tot inkt als uitgangspunt voor hun zelfherstellende systeem.

Ingenieurs laadden de inkt met microdeeltjes gemaakt van een type magneet dat gewoonlijk wordt gebruikt in onderzoek en gemaakt van neodymium, een zachte, zilverachtig metaal. Het magnetische veld van de deeltjes is veel groter dan hun individuele grootte. Dit is de sleutel tot de zelfherstellende eigenschappen van de inkt, omdat de aantrekkingskracht tussen de deeltjes leidt tot sluitscheuren die millimeters breed zijn.

De deeltjes geleiden ook elektriciteit en zijn goedkoop. Maar ze hebben slechte elektrochemische eigenschappen, waardoor ze moeilijk te gebruiken zijn in de elektrochemische apparaten, zoals sensoren, zelfstandig. Om dit probleem te verhelpen, onderzoekers voegden roet toe aan de inkt, een materiaal dat vaak wordt gebruikt om batterijen en sensoren te maken.

Maar onderzoekers realiseerden zich dat de magnetische velden van de microdeeltjes, wanneer in hun natuurlijke configuratie, elkaar opgezegd, waardoor ze van hun helende eigenschappen werden beroofd. Ingenieurs hebben dit opgelost door de inkt af te drukken in aanwezigheid van een extern magnetisch veld, die ervoor zorgde dat de deeltjes zich oriënteerden om zich te gedragen als een permanente magneet met twee tegenovergestelde polen aan het einde van elk gedrukt apparaat. Wanneer het apparaat in tweeën wordt gesneden, de twee beschadigde stukken werken als verschillende magneten die elkaar aantrekken en zichzelf genezen.

In de toekomst, ingenieurs stellen zich voor om verschillende inkten te maken met verschillende ingrediënten voor een breed scala aan toepassingen. In aanvulling, ze zijn van plan computersimulaties te ontwikkelen om verschillende zelfherstellende inktrecepten in silico te testen voordat ze ze in het laboratorium uitproberen.