Creando trazas conductoras robustas. (a) Esquemas para ilustrar el proceso de estampado, donde gotitas aislantes discretas de metal líquido se gofran selectivamente para formar una red conductora conectada. (b) La micrografía óptica de una región en relieve muestra el compuesto desgastado, que es eléctricamente conductor, barra de escala:250 μm. (c) Patrón en relieve en forma de letras L y M con intrincadas líneas y conexiones (barra de escala:10 mm). (d) Un gráfico de R / R0 frente a la deformación aplicada en una traza conductora (ϕ =60%, δ =10%). La curva roja muestra el aumento R / R0 previsto con la deformación aplicada para un conductor metálico, mientras que la traza conductora de metal líquido en relieve (curva azul) muestra una reducción constante o de R / R0 (0,56 al 1200% de deformación en comparación con 169 para la predicción). El recuadro muestra imágenes de una muestra sin filtrar y una muestra con una deformación del 1200% (barra de escala:50 mm). Crédito:Nature Communications Materials, 10.1038 / s43246-021-00169-4
La electrónica blanda tiene cada vez más demanda para diversas aplicaciones, pero carecen de cerramientos rígidos y, por lo tanto, son susceptibles de desecharse prematuramente después de aplicaciones electrónicas. Por tanto, es necesario crear materiales suaves y elásticos con propiedades resilientes y regenerativas. La electrónica similar a la piel que puede estirar hasta un 1200 por ciento de tensión con un cambio mínimo en la resistencia eléctrica puede retener la conductividad eléctrica. En un nuevo estudio, Ravi Tutika y sus colegas en Ingeniería Mecánica en los EE. UU., desarrolló compuestos blandos con microestructuras de metal líquido adaptables para una amplia gama de aplicaciones en la práctica.
Aplicaciones de inspiración biológica en el laboratorio.
La electrónica blanda forma componentes importantes en campos emergentes, incluida la electrónica portátil, para evitar daños sostenidos y crear sistemas ajustables que sobreviven en diversos espacios de aplicación. Los componentes electrónicos robustos son autocurativos y tolerantes a los daños; por lo tanto, Los investigadores tienen como objetivo desarrollar funciones regenerativas para Aplicaciones reciclables en el laboratorio. Los científicos ya han desarrollado componentes electrónicos transitorios que se disuelven después de un período de tiempo con conductores con patrones geométricos para mayor capacidad de estiramiento. La electrónica a base de metal líquido también se puede reparar y formar manualmente utilizando gotitas de metal líquido discretas con trazado / escritura o sinterización por láser. En este trabajo, Tutika y col. desarrolló un compuesto de elastómero de metal líquido como una plataforma blanda regenerativa mediante la reconfiguración de la microestructura de la gota de metal líquido. La electrónica regenerativa desarrollada en este trabajo, presenta una plataforma sintonizable para circuitos resilientes y reciclables con diversas aplicaciones.
Compuestos de metal líquido para electrónica regenerativa. (a) Un compuesto de metal líquido demostrado como un sistema singular para circuitos blandos con trazas conductoras autocurables con resistencia invariante a la deformación a diferentes niveles de resistencia. Las muestras no filtradas y recicladas muestran que los LED funcionan antes del estiramiento y después del reciclaje (barras de escala:10 mm). Composición del material ϕ =60%, δ =20%. (b) Los esquemas muestran la transformación de la microestructura de metal líquido para habilitar las capacidades anteriores:resistencia invariante a la deformación de una traza conductora creada a través del estampado para formar una red de partículas de metal líquido. Trazas tolerantes a daños a través de una reconfiguración autónoma de conexiones de partículas de metal líquido para electrónica autorreparable. Los rastros reformables se habilitan al borrar una red de metal líquido previamente formada y la creación de una nueva red a través de un enfoque de borrado con solvente. Circuitos blandos multiusos mediante la disolución del compuesto, que borra todas las redes de metal líquido y los rastros eléctricos, y reciclaje para su uso en nuevas aplicaciones. Crédito:Nature Communications Materials, 10.1038 / s43246-021-00169-4 
Para preparar el elastómero, Tutika y col. polibutadieno (PBD) añadido como plastificante para propiedades mecánicas y de estampado. El plastificante mostró varias características clave, incluido un suave, altamente maleable, microestructura resistente con propiedades reciclables. El equipo utilizó un enfoque de procesamiento de solución para disolver los gránulos sólidos en tolueno y luego agregó plastificante a la mezcla. También agregaron metal líquido a la solución para crear una amalgama de gotitas de metal líquido del tamaño de una micra. Luego, el equipo calculó la conductividad eléctrica inicial de la configuración y destacó el rendimiento eléctrico de los conductores compuestos. La configuración síncrona les permitió ajustar la resistencia y la carga aplicada. El método facilitó el desarrollo de resistencias altamente estirables con una resistencia casi constante. Para demostrar su función, Tutika y col. también creó un circuito LED e interconectó los compuestos con componentes eléctricos rígidos.
Propiedades electromecánicas de las trazas conductoras blandas. (a) Un diagrama y un esquema ilustran el procedimiento de estampado con control de retroalimentación. (b) Un gráfico de la resistencia frente a la deformación por tracción aplicada de tres trazos conductores diferentes grabados en resistencias R =10 Ω, 100 Ω, y 1 kΩ (ϕ =60%, δ =20%). El recuadro muestra una fotografía de trazos en relieve con R1 =100 Ω y R2 =10 Ω que se utilizan como resistencias para cambiar el brillo del LED (barra de escala:5 mm). (c) módulo de tracción y (d) deformación a la rotura de un elastómero sin relleno, prístino (sin relieve), y compuesto en relieve. (e) Estiramiento de un LED integrado con trazos en relieve (barra de escala — 10 mm). (f) Un compuesto con ϕ =50% utilizado para crear un circuito LED para ilustrar la robustez de las trazas en funcionamiento:flexión, plegable, retortijón, y estiramiento (barra de escala:10 mm). Las barras de error indican desviaciones estándar para n =3. Crédito:Nature Communications Materials, 10.1038 / s43246-021-00169-4
Funcionamiento robusto y autorreparación dinámica. (a) El gráfico muestra el comportamiento cíclico robusto del compuesto durante 1000 ciclos, cada uno hasta una tensión del 100%. (b) Gráfico de R / R0 frente al tiempo en una prueba cíclica de tres ciclos en cada paso hasta una deformación del 1000% en incrementos de deformación del 100% (el sombreado indica los tres ciclos en una deformación determinada), el recuadro muestra el perfil de deformación aplicado en función del tiempo. (c) La prueba de perforación durante la tensión muestra la capacidad de autocuración dinámica. Una gráfica de R / R0 con respecto a la deformación y el tiempo muestra la reducción de la resistencia, pero no muestra pérdida de conductividad eléctrica. La composición de todas las muestras en esta figura es ϕ =60%, δ =10%. Crédito:Nature Communications Materials, 10.1038 / s43246-021-00169-4
Funcionalidad robusta del material compuesto
Luego, los científicos utilizaron los materiales para realizar trazas conductoras y realizar pruebas de tracción. Los resultados destacaron las trazas conductoras en relieve como candidatos prometedores para el cableado de circuitos blandos, el material también mostró propiedades de autocuración en entornos difíciles debido a su robustez. Para construir el circuito blando, El equipo utilizó trazas conductoras fabricadas en una hoja compuesta de metal-elastómero-plastificante líquido en ubicaciones predeterminadas con moldes impresos en 3D. Durante los experimentos, Tutika y col. mostró cómo las construcciones conservaban la conductividad eléctrica y la resistencia mecánica. La naturaleza soluble del polímero en tolueno permitió que el circuito fuera reconfigurable para aplicaciones prácticas con fuentes de luz LED. La configuración proporcionó una característica importante del sistema compuesto no destructivo. La termoplasticidad del material junto con la naturaleza líquida del material metálico también permitió a Tutika et al. para reciclar y reutilizar eficazmente los compuestos. Las muestras recicladas eran eléctricamente aislantes, y se pueden reciclar como compuestos para crear circuitos eléctricos. El equipo demostró esta capacidad mediante la creación de circuitos LED funcionales para indicar la confiabilidad de las conexiones eléctricas en el prístino, Muestras de material reciclable.
Reconfiguración y reciclaje de compuestos blandos de metal líquido. (a) Esquemas y fotografías que muestran el proceso de reconfiguración de una traza conductiva mediante el método de borrado con disolvente en un compuesto con ϕ =60%, δ =20%, barras de escala:10 mm. (b) Curvas de tensión-deformación de lo prístino, y muestras recicladas que muestran un mayor nivel de estrés para lo prístino. (c) Las micrografías ópticas muestran el cambio en la microestructura de la gota de metal líquido con el reciclaje y los LED no muestran pérdida de funcionalidad eléctrica en un compuesto con ϕ =60%, δ =10% (barra de escala para micrografías:100 μm e imágenes:10 mm). Crédito:Nature Communications Materials, 10.1038 / s43246-021-00169-4
panorama
De este modo, Ravi Tutika y sus colegas desarrollaron componentes electrónicos blandos reciclables y autocurables que se pueden estirar a grandes esfuerzos para obtener funcionalidades robustas en los campos emergentes de productos electrónicos blandos y extensibles. La investigación es relevante para materiales funcionales blandos, donde un solo sistema compuesto multifuncional puede mantener las propiedades de la electrónica blanda, incluida una robusta capacidad de estiramiento, capacidad de curación y reciclabilidad. Durante el desarrollo de las construcciones materiales, El equipo utilizó inclusiones en fase líquida únicas para reconfigurar la microestructura del material y formar redes sólidas de metal líquido para construir componentes electrónicos resilientes y regenerativos. El material también es aplicable para diversas funcionalidades, permitiendo a los científicos de materiales reducir los desechos electrónicos junto con una mejor reciclabilidad.
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