Création de traces conductrices robustes. (a) Des schémas pour illustrer le processus de gaufrage, où des gouttelettes isolantes discrètes de métal liquide sont sélectivement gaufrées pour former un réseau conducteur connecté. (b) La micrographie optique d'une région en relief montre le composite en détresse, qui est électriquement conducteur, barre d'échelle—250 μm. (c) Motif en relief sous la forme des lettres L et M avec des lignes et des connexions complexes (barre d'échelle—10 mm). (d) Un tracé de R/R0 en fonction de la contrainte appliquée sur une trace conductrice (ϕ = 60 %, = 10%). La courbe rouge montre l'augmentation R/R0 prévue avec la contrainte appliquée pour un conducteur métallique, tandis que la trace conductrice de métal liquide en relief (courbe bleue) montre une constante ou une réduction de R/R0 (0,56 à 1200 % de déformation par rapport à 169 pour la prédiction). L'encart montre des images d'un échantillon non contraint et d'un échantillon à une contrainte de 1200 % (barre d'échelle—50 mm). Crédit :Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4
L'électronique douce est de plus en plus demandée pour des applications diverses, mais ils manquent de boîtiers rigides et sont donc susceptibles d'être éliminés prématurément après des applications électroniques. Il est donc nécessaire de créer des matériaux souples et extensibles aux propriétés résilientes et régénératrices. L'électronique semblable à une peau qui peut s'étirer jusqu'à 1200 pour cent de contrainte avec un changement minimal de résistance électrique peut conserver la conductivité électrique. Dans une nouvelle étude, Ravi Tutika et ses collègues en génie mécanique aux États-Unis, développé des composites souples avec des microstructures de métal liquide adaptatives pour une gamme d'applications dans la pratique.
Applications d'inspiration biologique en laboratoire.
L'électronique douce forme des composants importants dans les domaines émergents, y compris l'électronique portable, pour éviter des dommages durables et créer des systèmes accordables qui survivent à divers espaces d'application. L'électronique robuste est auto-réparatrice et tolérante aux dommages ; donc, les chercheurs visent à construire des fonctions régénératives pour des produits d'inspiration biologique, applications recyclables en laboratoire. Les scientifiques ont déjà développé une électronique transitoire qui se dissout après une période de temps avec des conducteurs à motifs géométriques pour l'étirement. L'électronique à base de métal liquide peut également être réparée et formée manuellement à l'aide de gouttelettes de métal liquide discrètes avec traçage/écriture ou frittage laser. Dans ce travail, Tutika et al. a développé un composite métal liquide-élastomère en tant que plate-forme souple régénérative en reconfigurant la microstructure des gouttelettes de métal liquide. L'électronique régénérative développée dans ce travail, présente une plate-forme accordable pour des circuits résilients et recyclables avec diverses applications.
Composites de métal liquide pour l'électronique régénérative. (a) Un composite de métal liquide démontré comme un système singulier pour les circuits souples avec robuste, traces conductrices auto-réparables avec une résistance invariante à la déformation à différents niveaux de résistance. Des échantillons non tendus et recyclés montrent que les LED fonctionnent avant étirement et après recyclage (barres d'échelle—10 mm). Composition du matériau ϕ = 60%, = 20%. (b) Les schémas montrent la transformation de la microstructure du métal liquide pour permettre les capacités ci-dessus - résistance invariante de contrainte d'une trace conductrice créée par gaufrage pour former un réseau de particules de métal liquide. Traces tolérantes aux dommages grâce à une reconfiguration autonome des connexions de particules de métal liquide pour une électronique auto-réparatrice. Les traces reformables sont activées en effaçant un réseau de métal liquide précédemment formé et en créant un nouveau réseau grâce à une approche d'effacement par solvant. Circuits souples multi-usages par dissolution du composite, qui efface tous les réseaux de métal liquide et les traces électriques, et le recyclage pour une utilisation dans de nouvelles applications. Crédit :Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4 
Pour préparer l'élastomère, Tutika et al. ajouté du polybutadiène (PBD) comme plastifiant pour les propriétés mécaniques et de gaufrage. Le plastifiant présentait plusieurs caractéristiques clés, notamment une texture molle, très malléable, microstructure résistante aux propriétés recyclables. L'équipe a utilisé une approche de traitement en solution pour dissoudre les pastilles solides dans du toluène, puis a ajouté un plastifiant au mélange. Ils ont également ajouté du métal liquide à la solution pour créer un amalgame de gouttelettes de métal liquide de la taille d'un micron. L'équipe a ensuite calculé la conductivité électrique initiale de l'installation et mis en évidence les performances électriques des conducteurs composites. La configuration synchrone leur a permis de régler la résistance et la charge appliquée. La méthode a facilité le développement de résistances hautement extensibles avec une résistance presque constante. Pour démontrer leur fonction, Tutika et al. a également créé un circuit LED et interfacé les composites avec des composants électriques rigides.
Propriétés électromécaniques des pistes conductrices souples. (a) Un tracé et un schéma illustrent la procédure de gaufrage avec contrôle par rétroaction. (b) Un tracé de la résistance en fonction de la contrainte de traction appliquée de trois traces conductrices différentes gaufrées à des résistances R =10 Ω, 100 , et 1 kΩ (ϕ = 60 %, = 20%). L'encart montre une photographie de traces en relief avec R1 = 100 Ω et R2 = 10 Ω utilisées comme résistances pour modifier la luminosité des LED (barre d'échelle—5 mm). (c) module de traction et (d) déformation à la rupture d'un élastomère non chargé, vierge (non gaufré), et composite gaufré. (e) Étirement d'une LED intégrée avec des traces en relief (barre d'échelle—10 mm). (f) Un composite avec ϕ = 50% utilisé pour créer un circuit LED pour illustrer la robustesse des traces en fonctionnement-flexion, pliant, torsion, et étirement (barre d'échelle—10 mm). Les barres d'erreur indiquent les écarts types pour n = 3. Crédit :Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4
Fonctionnement robuste et auto-guérison dynamique. (a) Le graphique montre le comportement cyclique robuste du composite sur 1000 cycles, chacun jusqu'à une souche de 100%. (b) Graphique de R/R0 en fonction du temps dans un essai cyclique de trois cycles à chaque étape jusqu'à une déformation de 1000% par incréments de déformation de 100% (l'ombrage indique les trois cycles à une déformation donnée), l'encart montre le profil de contrainte appliqué en fonction du temps. (c) Le test de perforation pendant la tension montre la capacité d'auto-guérison dynamique. Un tracé de R/R0 en fonction de la déformation et du temps montre la réduction de la résistance, mais ne montre aucune perte de conductivité électrique. La composition pour tous les échantillons de cette figure est ϕ = 60%, = 10%. Crédit :Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4
Fonctionnalité robuste du matériau composite
Les scientifiques ont ensuite utilisé les matériaux pour effectuer des traces conductrices et effectuer des tests de traction. Les résultats ont mis en évidence les pistes conductrices en relief comme des candidats prometteurs pour le câblage de circuit souple, le matériau a également montré des propriétés d'auto-guérison dans des environnements difficiles en raison de sa robustesse. Pour construire le circuit doux, l'équipe a utilisé des traces conductrices réalisées sur une feuille composite de métal liquide-élastomère-plastifiant à des emplacements prédéterminés avec des moules imprimés en 3D. Lors des expérimentations, Tutika et al. ont montré comment les constructions conservaient la conductivité électrique et la résistance mécanique. La nature soluble du polymère dans le toluène a permis au circuit d'être reconfigurable pour des applications pratiques avec des sources lumineuses à LED. La configuration a fourni une caractéristique importante du système composite non destructif. La thermoplastique du matériau couplée à la nature liquide du matériau métallique a également permis à Tutika et al. pour recycler et réutiliser efficacement les composites. Les échantillons recyclés étaient électriquement isolants, et ils peuvent être recyclés sous forme de composites pour créer des circuits électriques. L'équipe a montré cette capacité en créant des circuits LED fonctionnels pour indiquer la fiabilité des connexions électriques dans le vierge, échantillons de matériaux recyclables.
Reconfiguration et recyclage du composite mou de métal liquide. (a) Schémas et photographies montrant le processus de reconfiguration d'une trace conductrice par approche d'effacement au solvant dans un composite avec ϕ = 60%, =20 %, barres d'échelle—10 mm. (b) Courbes contrainte-déformation du vierge, et des échantillons recyclés montrant un niveau de stress plus élevé pour le vierge. (c) Les micrographies optiques montrent l'évolution de la microstructure des gouttelettes de métal liquide avec le recyclage et les LED ne montrent aucune perte de fonctionnalité électrique dans un composite avec ϕ = 60%, δ = 10% (barre d'échelle pour les micrographies—100 μm et les images—10 mm). Crédit :Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4
Perspectives
De cette façon, Ravi Tutika et ses collègues ont développé une électronique souple auto-cicatrisante et recyclable qui peut être étirée à des contraintes élevées pour des fonctionnalités robustes dans les domaines émergents de l'électronique souple et extensible. La recherche est pertinente pour les matériaux fonctionnels souples, où un seul système composite multifonctionnel peut conserver les propriétés de l'électronique douce, y compris l'extensibilité robuste, capacité de cicatrisation et recyclabilité. Au cours du développement des constructions matérielles, l'équipe a utilisé des inclusions uniques en phase liquide pour reconfigurer la microstructure du matériau et former des réseaux de métal liquide robustes pour construire une électronique résiliente et régénérative. Le matériau est également applicable pour diverses fonctionnalités, permettant aux scientifiques des matériaux de réduire les déchets électroniques tout en améliorant la recyclabilité.
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