Een nieuw ontwikkelde bedrukbare elastische geleider behoudt een hoge geleidbaarheid, zelfs wanneer deze wordt uitgerekt tot wel vijf keer de oorspronkelijke lengte, zegt een Japans team van wetenschappers. Het nieuwe materiaal, geproduceerd in pasta-achtige inktvorm, kan in verschillende patronen op textiel en rubberen oppervlakken worden gedrukt als rekbare bedrading voor draagbare apparaten met sensoren, en geven menselijke huidachtige functies aan de buitenkant van robots.

De ontwikkeling van draagbare apparaten, zoals apparaten die iemands gezondheid of fysieke prestaties bewaken, zoals hartslag of spieractiviteit, is momenteel aan de gang met een aantal producten die al op de markt zijn. Bovendien, met de komst van robots in onder meer de zorg en de detailhandel, naast productie, toekomstige toepassingen voor gevoelig elastisch geleidend materiaal dat bestand is tegen hoge spanning door uitrekken, zullen waarschijnlijk toenemen met koorts.

"We zagen de groeiende vraag naar draagbare apparaten en robots, ", zegt professor Takao Someya van de Graduate School of Engineering van de Universiteit van Tokyo, die het huidige onderzoek begeleidde. "We vonden het erg belangrijk om bedrukbare elastische geleiders te maken om aan de behoefte te voldoen en de ontwikkeling van de producten te realiseren, " hij voegt toe.

Om een ​​hoge mate van rekbaarheid en geleidbaarheid te bereiken, de onderzoekers mengden vier componenten om hun elastische geleider te creëren. Ze ontdekten dat hun geleidende pasta bestaande uit micrometergrote zilver (Ag) vlokken, fluorrubber, oppervlakteactieve fluor - algemeen bekend als een stof die de oppervlaktespanning in vloeistof vermindert - en organisch oplosmiddel om het fluorrubber op te lossen, presteerden duidelijk beter dan de elastische geleider die ze eerder in 2015 hadden ontwikkeld.

Zonder uit te rekken, gedrukte sporen van de nieuwe dirigent opgenomen 4, 972 siemens per centimeter (S/cm), hoge geleidbaarheid met behulp van de gemeenschappelijke maat voor het beoordelen van elektrische geleidbaarheid. Wanneer uitgerekt met 200 procent, of tot drie keer de oorspronkelijke lengte, geleidbaarheid gemeten 1, 070 S/cm, dat is bijna zes keer de waarde van de vorige geleider (192 S/cm). Zelfs wanneer uitgerekt met 400 procent, of tot vijf keer de oorspronkelijke lengte, de nieuwe geleider behield een hoge geleidbaarheid van 935 S/cm, het hoogste niveau geregistreerd voor deze hoeveelheid rekken.

Vergroting door een scanning-elektronenmicroscoop (SEM) en transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) toonde aan dat de hoge prestaties van de geleider te wijten waren aan de zelfvorming van zilveren (Ag) nanodeeltjes - een duizendste van de grootte van de Ag-vlokken en uniform verspreid tussen de vlokken in het fluorrubber - nadat de geleidende composietpasta was bedrukt en verwarmd. "We hadden de vorming van Ag-nanodeeltjes niet verwacht, " zegt Someya over hun verrassende ontdekking.

Verder, de wetenschappers ontdekten dat door variabelen zoals het molecuulgewicht van het fluorrubber aan te passen, ze zouden de verspreiding en populatie van nanodeeltjes kunnen controleren, terwijl de aanwezigheid van oppervlakteactieve stof en verwarming hun vorming versnelde en hun grootte beïnvloedde.

Om de haalbaarheid van de geleiders aan te tonen, de wetenschappers vervaardigden volledig bedrukte rekbare druk- en temperatuursensoren - die zwakke kracht kunnen detecteren en warmte kunnen meten in de buurt van lichaams- en kamertemperatuur - bedraad met de bedrukbare elastische geleiders op textiel. De sensoren, die gemakkelijk kan worden geïnstalleerd door op oppervlakken te lamineren door heet te persen met hitte en druk, nam nauwkeurige metingen, zelfs wanneer uitgerekt met 250 procent. Dit is voldoende om flexibele gebieden die onder hoge druk staan, zoals ellebogen en knieën op vervormbare, nauwsluitende sportkleding of gewrichten op robotarmen die vaak zijn ontworpen om de menselijke capaciteiten te overtreffen en dus een hogere belasting te ondergaan.

Het nieuwe materiaal, die duurzaam is en geschikt is voor afdrukmethoden met hoge capaciteit zoals stencil- of zeefdruk die grote oppervlakken kan bedekken, wijst op eenvoudige installatie, en de eigenschappen ervan om Ag-nanodeeltjes te vormen (die een fractie zijn van de kosten van Ag-vlokken) wanneer ze worden afgedrukt, bieden een economisch alternatief voor het realiseren van een breed scala aan toepassingen voor wearables, robotica en vervormbare elektronische apparaten. Het team onderzoekt nu alternatieven voor Ag-vlokken om de kosten verder te verlagen, terwijl ze ook naar andere polymeren kijken, zoals niet-fluorrubbers, en verschillende combinaties van materialen en processen om elastische geleiders te vervaardigen met vergelijkbare hoge prestaties.