Разработан новый метод изготовления гибкой электроники с помощью печати с поглощением частиц
Большинство существующих подходов к внедрению функциональных частиц в полимеры основаны на диспергировании частиц в жидких молекулах, которые связываются с другими молекулами, образуя полимер, прежде чем материал затвердеет. Однако многие из этих стратегий применимы только к некоторым комбинациям полимеров и частиц или их сложно реализовать в больших масштабах.
Исследовательская группа профессора Джона Хо из Национального университета Сингапура и группа профессора Йонга Лин Конга из Университета Райса недавно представили новый метод изготовления гибкой электроники, который описан в статье в Nature Electronics.
Новый подход, разработанный исследователями, основан на явлении физики мягких материалов, называемом «поглощением частиц», которое позволяет встраивать частицы в мягкий полимер. Поглощение частиц — это самопроизвольный процесс, который происходит, когда так называемая эластокапиллярная длина полимерной матрицы превышает характерную длину частиц.
«Эластокапиллярная длина — это масштаб длины, при котором поверхностное напряжение становится более важным, чем объёмное упругое напряжение», —рассказал Tech Xplore профессор Йонг Лин Конг, соавтор статьи.
«Например, когда частица размером меньше эластокапиллярной длины (например, очень мягкая подложка) остаётся на поверхности, поверхностное натяжение подложки может преобладать настолько, что частица «поглощается» самой твёрдой подложкой.
«Само по себе это явление не является чем-то новым и уже изучалось другими исследователями в области физики мягких материалов, в том числе в рамках работы профессора Эрика Дюфресна из Корнеллского университета. Однако в предыдущих работах изучалось поглощение частиц несколькими частицами, и до сих пор оно не использовалось для производства электроники».
Пытаясь создать эффективный датчик деформации, исследователи обнаружили, что существующие методы диспергирования частиц углеродных нанотрубок в полимерных растворах не позволяют надёжно получать проводящие полимеры, необходимые для высокопроизводительных растягивающихся датчиков. Однако случайно они обнаружили преимущества использования поглощения частиц для создания проводящих полимеров для растягивающейся электроники.
Изображение: Мягкие датчики, закреплённые на эластомере размером с лист формата А4. Автор: Рончжоу Лин.
«Традиционные методы создания датчиков деформации с использованием углеродных нанотрубок (УНТ) обычно предполагают диспергирование УНТ в полимерном прекурсоре с помощью растворителей», — рассказал Tech Xplore Ронгчжоу Лин, первый автор статьи.
«Однако мы столкнулись с трудностями при создании проводящих композитов с использованием этого подхода. Неожиданно мы обнаружили, что нанесение резиновых УНТ на отверждённый силикон приводит к лёгкому образованию проводящих композитов».
Изучив это явление подробнее, исследователи обнаружили, что наноматериалы могут спонтанно встраиваться в полимерную матрицу за счёт явления поглощения частиц. Затем они объединили этот подход с установкой для печати, используя трафаретную маску для контроля открытых участков. Было обнаружено, что этот метод позволяет успешно встраивать широкий спектр функциональных частиц в мягкие полимеры.
Чтобы продемонстрировать потенциал предложенного ими метода, команда использовала его для создания эластичной электроники с несколькими слоями, включающими различные материалы. Изготовленные ими устройства могут быть пригодны для различных реальных применений, поскольку они обладают возможностями беспроводного зондирования, связи и передачи энергии.
«Насколько нам известно, это было первое успешное применение поглощения частиц для создания гибкой электроники», — сказал Лин.
Помимо демонстрации возможности использования поглощения частиц для разработки электроники системного уровня с тканеподобными свойствами, это исследование также открывает новые возможности для изучения физики мягких материалов. В будущих исследованиях можно будет использовать методы, применённые командой, для дальнейшего изучения физики, лежащей в основе поглощения частиц.
«Поскольку это первое экспериментальное исследование поглощения высоких концентраций частиц, наши экспериментальные данные потенциально могут дать новые физические представления, которые ранее не изучались», — добавил Конг.
Поскольку новая стратегия, разработанная исследователями, является масштабируемой и надёжной, вскоре её смогут использовать и другие команды, что будет способствовать дальнейшему развитию электронной промышленности.
В будущем его можно будет использовать для производства более широкого спектра электроники, в том числе электронных оболочек для роботов и растягивающихся датчиков для носимых устройств.
Сообщение Разработан новый метод изготовления гибкой электроники с помощью печати с поглощением частиц появились сначала на Время электроники.