Le processus de fabrication et le mécanisme d'auto-guérison. Procédé de synthèse de la couche conductrice ionique PAA/NaCl en (a) et de la couche composite de phosphore PU/ZnS/BN en (b), où les photographies optiques des couches obtenues sont montrées. c-i) Principe schématique et structure du dispositif EL auto-réparable. c-ii) Circuit équivalent d'un appareil EL, où C représente le condensateur correspondant et R représente la résistance du conducteur ionique. d-i) Processus de coupe-cicatrisation du dispositif EL auto-cicatrisant tel que fabriqué. d-ii) Schéma de la région coupée, qui illustre le mécanisme d'auto-guérison et la configuration de chaque couche. e) Image SEM de la couche initiale de phosphore PU de bas en haut. f) image SEM d'une couche de phosphore PU cicatrisée ; la plaie cicatrisée était représentée par le rectangle rouge. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Dans une étude récente, les scientifiques des matériaux Guojin Liang et ses collègues du Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux, Université de la ville de Hong Kong, ont développé une auto-guérison, dispositif électroluminescent (EL) qui peut se réparer ou se guérir après un dommage. Inspiré par la capacité d'auto-guérison des systèmes biologiques, le nouveau procédé ouvre la voie à une gamme de nouvelles applications électroniques. Alors que les appareils EL sont généralement utilisés dans les affichages numériques, rétro-éclairage pour panneaux de commande et appareils électroniques portables, ils sont sujets aux dommages. La fragilité peut restreindre la durée de vie de l'appareil, durabilité et fiabilité pour les applications électroniques à long terme.
Le premier dispositif EL auto-cicatrisant développé dans l'étude a été construit en utilisant un hydrogel d'acide polyacrylique à auto-recuit modifié pour les électrodes, couplé au polyuréthane auto-cicatrisant comme hôte phosphore pour l'isolation électrique. Les scientifiques ont démontré que les propriétés physicochimiques de la restauration de l'appareil pouvaient être maintenues même après avoir subi des dommages catastrophiques. De tels systèmes EL auront de nouvelles et passionnantes applications de nouvelle génération en tant qu'hydrogels cicatrisants et polymères diélectriques dans les dispositifs portables. L'ouvrage est désormais publié sur Lumière :science et applications .
Les performances luminescentes des dispositifs EL auto-cicatrisants ont été récupérées avec une efficacité de cicatrisation élevée dans l'étude. Le concept pourrait être transféré à la guérison inter-dispositifs pour réaliser un processus d'assemblage conceptuel de type LEGO dans des dispositifs électroluminescents. Grâce au processus de conception et d'ingénierie des dispositifs EL auto-cicatrisants, les scientifiques visaient à relancer leurs performances tout en prolongeant leur durée de vie, même après que le matériau a été coupé en deux. Liang et al. Attendez-vous à ce que ces dispositifs EL auto-cicatrisants développés à l'aide d'hydrogels de guérison conducteurs ioniques et de polymères diélectriques servent de système modèle pour les applications électroluminescentes.
Les dispositifs électroluminescents (EL) ont des applications dans des systèmes et disciplines polyvalents, notamment la robotique douce, comme actionneurs de peau artificielle; en électronique flexible, électronique portable, affichages numériques et comme capteurs. Les progrès de la science des matériaux ont conduit à des dispositifs EL multifonctionnels conçus et développés de manière exquise utilisant des des matériaux conducteurs qui intègrent une robotique douce d'inspiration biologique et des configurations d'appareils optimisées. Les exemples comprennent:
Bien que les processus d'ingénierie mécanique aient développé des dispositifs robustes avec des matériaux robustes, pour les configurations d'appareils qui minimisent les contraintes, si la contrainte dépasse la limite de résistance, la dégradation des performances de l'appareil ne peut être évitée. L'entretien et le remplacement de ces composants défectueux dans les systèmes intégrés, les systèmes électroniques multifonctionnels sont soit insolubles soit coûteux, et reste une préoccupation majeure. Le développement d'une stratégie efficace peut prolonger considérablement la durée de vie des appareils EL.
Caractérisation du dispositif EL. a–c) Images des processus d'auto-guérison des couches de composants EL et du dispositif (couche PAA—a, Couche composite PU-b, et dispositif EL—c). Dans ces processus, i) montre les états initiaux, ii) montre les états coupés, iii) montre les états guéris, iv) montre les états guéris en suspendant un poids, et le rectangle rouge désigne les plaies cicatrisées. Le poids est de 10 g de masse. d) Conductivité ionique du conducteur PAA après plusieurs temps de coupe-cicatrisation. e) Capacité diélectrique de la couche de phosphore PU après plusieurs temps de coupe-cicatrisation. f) Résistance mécanique du dispositif EL après plusieurs temps de coupe-cicatrisation. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Dans l'étude, les matériaux auto-cicatrisants ont été conçus et développés avec des caractéristiques de guérison intrinsèques ou extrinsèques, similaire aux expériences précédentes. Les caractéristiques présentes permettent une réparation autonome des dommages, même sous des stimuli externes tels que le pH, léger, champs électriques ou magnétiques après des dommages importants. Des propriétés cicatrisantes existent au niveau de la matière, mais des améliorations pour améliorer la durée de vie et la fiabilité de l'appareil sont en cours. Une majorité des performances d'auto-guérison précédentes n'étaient également applicables qu'au niveau d'une seule couche constitutive dans un dispositif EL multicouche, où les couches restantes ont été réparées manuellement via de petits patchs.
Pour remédier aux limitations existantes, Liang et al. adopté des hydrogels d'acide polyacrylique (PAA) auto-cicatrisants modifiés contenant du chlorure de sodium (NaCl) comme électrode ionique. Ensuite, ils ont inclus des particules de sulfure de zinc (ZnS) contenant du polyuréthane (PU) auto-cicatrisant en tant que couche composite de phosphore pour démontrer le premier dispositif EL auto-cicatrisant optimisé de manière innée dans l'étude. Parallèlement à la cicatrisation des fractures, la cicatrisation inter-dispositif a également été restaurée pour la première fois pour permettre un assemblage de type LEGO au niveau du dispositif EL. L'étude a simplifié les processus complexes et coûteux de réparation et de remplacement dans les systèmes électroniques intégrés.
Dispositif EL auto-cicatrisant. Les scientifiques démontrent le dispositif EL auto-cicatrisant à travers l'état de fonctionnement initial et après la coupe, état de guérison et de travail rétabli. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Les hydrogels à base de polymères (couche PAA et couche composite PU) ont été développés au niveau moléculaire pour obtenir le caractère physico-chimique recherché. Un hydrogel a été conçu pour réaliser simultanément les caractéristiques souhaitées de transparence à la lumière visible, conductivité ionique et auto-guérison. L'hydrogel PAA contenait du NaCl (4M) uniformément réparti pour atteindre une transmittance moyenne de 96,5% pour la transparence dans la plage de lumière visible et une conductivité ionique élevée de 2,1 S/m. Les groupes carboxyle sur le squelette PAA ont transféré la capacité d'auto-guérison à l'hydrogel via une liaison hydrogène.
L'isolant électrique, la couche composite de phosphore électroluminescente et auto-cicatrisante contenait du PU modifié avec des groupes carboxyle pour lier des particules de phosphore (ZnS). Les scientifiques ont utilisé des nanofeuillets de nitrure de bore (BN) pour augmenter la permittivité diélectrique et améliorer la luminescence de la couche composite. Le dispositif EL final comprenait une configuration à trois couches. Les matériaux ont été évalués par microscopie électronique à balayage (MEB) après la fabrication et après la réponse aux dommages/guérison. Le caractère physico-chimique du matériau multicouche a été restauré après endommagement.
Caractérisation de la réponse de cicatrisation initiale :performances d'émission de lumière du dispositif EL auto-cicatrisé après le processus de cicatrisation. a Démonstration du processus de coupe-cicatrisation du dispositif EL guérissable. a-i–a-iii présente l'état de fonctionnement initial, état coupé, et état de fonctionnement rétabli, respectivement, après guérison. a-iv montre l'état de fonctionnement de la courbure du dispositif EL cicatrisé. b Caractéristiques luminance-tension du dispositif EL pour les états initial et guéri. c Répartition du champ électrique à travers la couche de phosphore, où la barre de couleur représente l'intensité du champ électrique. d Image agrandie d'une région marquée en c, où les longueurs et les directions des flèches représentent les valeurs et les directions, respectivement, du champ électrique adjacent à la région de guérison. e La variation de valeur des champs électriques en fonction de la distance au point de cicatrisation, où ΙEΙ représente les valeurs des champs électriques redistribués et ΙE0Ι représente la valeur originale des champs électriques distribués avant le processus de coupe-cicatrisation. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Le dispositif EL contenait la couche de phosphore composite (composée de PU/ZnS/BN) prise en sandwich par deux conducteurs ioniques transparents symétriques (à base de PAA-NaCl). La morphologie de chaque couche/composant a été caractérisée à l'aide d'images SEM à émission de champ et optiques. La restauration de la résistance mécanique après cicatrisation de chaque couche a été évaluée en accrochant un poids. Les conductivités ioniques mesurées par spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) ont montré une restauration complète par rapport à la valeur initiale, même après 10 cycles de coupe-cicatrisation.
Comme preuve de principe de fonctionnement, les scientifiques ont également observé la renaissance d'un circuit de diodes électroluminescentes (DEL) après des cycles de cicatrisation du matériau conducteur. La capacité de la couche diélectrique est restée presque constante après différents cycles de cicatrisation, indiquant que l'intensité d'émission lumineuse et la tension distribuée sont restées presque constantes après la guérison. Les propriétés mécaniques du dispositif EL cicatrisé ont indiqué la restauration à la fois de la résistance à la traction et du module de Young au point de rupture du dispositif, même après 10 cycles de coupe-cicatrisation.
Processus d'assemblage LEGO d'appareils EL auto-cicatrisants. a) Un dispositif EL complet a été découpé en deux unités EL individuelles. a-i) indique l'état de repos initial, a-ii) l'état de fonctionnement, et a-iii) l'état coupé. b) Les deux unités EL telles qu'obtenues en état de fonctionnement. c) Les deux dispositifs EL tels qu'ils ont été obtenus ont été assemblés en une lettre électroluminescente « T ». d) Les personnages électroluminescents assemblés en tant que « CITYU » avec différentes unités EL. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi :https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Les scientifiques ont également démontré l'état de fonctionnement initial, état de coupe et état cicatrisé (travail après cicatrisation) guidés par la conception rationnelle à la fois des matériaux et de l'appareil. La reprise réussie des performances d'émission de lumière du dispositif EL a indiqué la restauration des propriétés physico-chimiques et mécaniques dans chaque couche fonctionnelle. Les données expérimentales correspondent bien à l'équation dérivée dans l'étude à la fois pour l'état de travail initial et l'état cicatrisé.
Sur la base de la capacité de guérison exceptionnelle des appareils EL, les scientifiques ont assemblé quelques unités EL dans un système EL intégré pour construire un ensemble LEGO de dispositifs électroluminescents. Pour y parvenir en laboratoire, le dispositif EL a été coupé en deux pour créer EL1 et EL2, et les deux unités ont fonctionné sans aucune dégradation visible de la luminescence. Pendant le processus d'assemblage LEGO, les scientifiques ont mis en œuvre deux unités EL pour former une lettre émettrice de lumière en forme de T, avec une fonctionnalité visible sur la guérison. En outre, les scientifiques ont assemblé les matériaux pour former des mots avec des émissions lumineuses colorées en utilisant des particules de phosphore ZnS dopées avec différents éléments.
L'étude était la première à signaler l'assemblage arbitraire de dispositifs EL de type LEGO, où toutes les couches fonctionnelles pourraient être guéries. La nouvelle conception peut être appliquée pour développer des conducteurs ioniques, des hydrogels cicatrisants en tant qu'électrodes transparentes et des polymères diélectriques cicatrisants avec des couches de phosphore isolantes. Ces matériaux auront des applications avancées pour construire la prochaine génération de portables, électronique déformable et auto-cicatrisante.
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