El proceso de fabricación y mecanismo de autocuración. Proceso de síntesis de la capa conductora iónica PAA / NaCl en (a) y la capa de fósforo compuesta PU / ZnS / BN en (b), donde se muestran las fotografías ópticas de las capas obtenidas. c-i) Principio esquemático y estructura del dispositivo EL autocurable. c-ii) Circuito equivalente de un dispositivo EL, donde C representa el condensador correspondiente y R representa la resistencia del conductor iónico. d-i) Proceso de corte-curación del dispositivo EL autocurable tal como fue fabricado. d-ii) Esquema de la región de corte, que ilustra el mecanismo autocurable y la configuración de cada capa. e) Imagen SEM de la capa de fósforo PU inicial desde el ángulo de visión de abajo hacia arriba. f) Imagen SEM de la capa de fósforo de PU curada; la herida curada estaba representada por el rectángulo rojo. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
En un estudio reciente, los científicos de materiales Guojin Liang y sus compañeros de trabajo en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de la ciudad de Hong Kong, han desarrollado una autocuración, Dispositivo electroluminiscente (EL) que puede repararse o curarse a sí mismo después de un daño. Inspirado en la capacidad de autocuración de los sistemas biológicos, el novedoso proceso allana el camino para una gama de nuevas aplicaciones electrónicas. Si bien los dispositivos EL se utilizan normalmente en pantallas digitales, retroiluminación para paneles de control y dispositivos electrónicos portátiles, son propensos a sufrir daños. La fragilidad puede restringir la vida útil del dispositivo, sostenibilidad y fiabilidad para aplicaciones electrónicas a largo plazo.
El primer dispositivo EL autocurativo desarrollado en el estudio se construyó utilizando un hidrogel de ácido poliacrílico de autocuración modificado para electrodos, acoplado a poliuretano autorreparable como anfitrión de fósforo para aislamiento eléctrico. Los científicos demostraron que las propiedades fisicoquímicas de la restauración del dispositivo podrían mantenerse incluso después de sufrir daños catastróficos. Estos sistemas EL tendrán nuevas y emocionantes aplicaciones de próxima generación como hidrogeles curativos y polímeros dieléctricos en dispositivos portátiles. El trabajo ahora está publicado en Luz:ciencia y aplicaciones .
El rendimiento luminiscente de los dispositivos EL autorreparables se recuperó con alta eficacia curativa en el estudio. El concepto podría transferirse a la curación entre dispositivos para realizar un proceso de ensamblaje conceptual similar a LEGO en dispositivos emisores de luz. A través del proceso de diseño e ingeniería de dispositivos EL autorreparables, los científicos tenían como objetivo revivir su desempeño mientras extendían su vida, incluso después de cortar el material por la mitad. Liang y col. Se espera que estos dispositivos EL autorreparables desarrollados utilizando hidrogeles de curación iónicamente conductores y polímeros dieléctricos sirvan como un sistema modelo para aplicaciones electroluminiscentes.
Los dispositivos electroluminiscentes (EL) tienen aplicaciones en sistemas y disciplinas versátiles, incluida la robótica suave, como actuadores de piel artificial; en electrónica flexible, electrónica portátil, pantallas digitales y como sensores. Los avances en la ciencia de los materiales han llevado a dispositivos EL multifuncionales exquisitamente diseñados y desarrollados que utilizan transparencias, materiales conductores que integran robótica suave de inspiración biológica y configuraciones de dispositivos optimizadas. Ejemplos incluyen:
Aunque los procesos de ingeniería mecánica han desarrollado dispositivos robustos con materiales robustos, para configuraciones de dispositivos que minimizan la tensión, si la tensión excede el límite de resistencia, No se puede evitar la degradación del rendimiento del dispositivo. El mantenimiento y reemplazo de dichos componentes defectuosos en forma integrada, los sistemas electrónicos multifuncionales son intratables o costosos, y sigue siendo una preocupación principal. El desarrollo de una estrategia eficaz puede prolongar significativamente la vida útil de los dispositivos EL.
Caracterización del dispositivo EL. a – c) Imágenes de los procesos de autorreparación de las capas del componente EL y el dispositivo (capa PAA — a, Capa compuesta de PU — b, y dispositivo EL — c). En estos procesos, i) muestra los estados iniciales, ii) muestra los estados de corte, iii) muestra los estados curados, iv) muestra los estados curados colgando un peso, y el rectángulo rojo denota las heridas curadas. El peso es de 10 g de masa. d) Conductividad iónica del conductor PAA después de múltiples tiempos de corte-curación. e) Capacitancia dieléctrica de la capa de fósforo de PU después de múltiples tiempos de corte-curación. f) Resistencia mecánica del dispositivo EL después de múltiples tiempos de cicatrización de corte. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
En el estudio, Los materiales de autorreparación fueron diseñados y desarrollados con características de curación intrínsecas o extrínsecas, similar a experimentos anteriores. Las características actuales permiten la reparación autónoma de daños, incluso bajo estímulos externos como el pH, luz, campos eléctricos o magnéticos después de un daño extenso. Existen propiedades curativas a nivel del material, pero se están realizando mejoras para mejorar la vida útil y la confiabilidad del dispositivo. La mayoría de las actuaciones de autocuración anteriores también solo se aplicaban al nivel de una sola capa constituyente en un dispositivo EL multicapa, donde las capas restantes se repararon manualmente mediante pequeños parches.
Para abordar las limitaciones existentes, Liang y col. adoptó hidrogeles de ácido poliacrílico (PAA) autocurativos modificados que contienen cloruro de sodio (NaCl) como electrodo iónico. Luego incluyeron partículas de sulfuro de zinc (ZnS) que contienen poliuretano (PU) autocurativo como una capa de compuesto de fósforo para demostrar el primer dispositivo EL autocurativo optimizado de forma innata en el estudio. Junto con la curación del daño de la fractura, La curación entre dispositivos también se restauró por primera vez para permitir un montaje tipo LEGO en el nivel del dispositivo EL. El estudio simplificó los complejos y costosos procesos de reparación y reemplazo en sistemas electrónicos integrados.
Dispositivo EL autorreparable. Los científicos demuestran el dispositivo EL autocurativo a través del estado de funcionamiento inicial y después del corte, estado de trabajo curativo y revivido. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Los hidrogeles a base de polímero (capa de PAA y capa compuesta de PU) se desarrollaron a nivel molecular para obtener el carácter fisicoquímico deseado. Se diseñó un hidrogel para realizar simultáneamente los rasgos deseados de transparencia a la luz visible, conductividad iónica y autocuración. El hidrogel de PAA contenía NaCl (4M) distribuido uniformemente para lograr una transmitancia promedio del 96.5 por ciento para transparencia en el rango de luz visible y una conductividad iónica alta de 2.1 S / m. Los grupos carboxilo de la cadena principal de PAA transfirieron la capacidad de autocuración al hidrogel mediante enlaces de hidrógeno.
El eléctricamente aislante, La capa compuesta de fósforo emisor de luz y autorreparable contenía PU modificado con grupos carboxilo para unir partículas de fósforo (ZnS). Los científicos utilizaron nanohojas de nitruro de boro (BN) para aumentar la permitividad dieléctrica y mejorar la luminiscencia de la capa compuesta. El dispositivo EL final constaba de una configuración de tres capas. Los materiales se evaluaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) después de la fabricación y después de la respuesta de daño / curación. El carácter fisicoquímico del material multicapa se restauró después del daño.
Caracterización de la respuesta de curación inicial:rendimiento de emisión de luz del dispositivo EL autocurado después del proceso de curación por corte. a Demostración del proceso de corte-curación del dispositivo EL curable. a-i-a-iii exhibe el estado de trabajo inicial, estado de corte, y estado de trabajo revivido, respectivamente, después de la curación. a-iv muestra el estado de funcionamiento de plegado del dispositivo EL curado. b Características de luminancia-voltaje del dispositivo EL para los estados inicial y curado. c Distribución del campo eléctrico a través de la capa de fósforo, donde la barra de color representa la intensidad del campo eléctrico. d Imagen ampliada de una región marcada en c, donde las longitudes y direcciones de las flechas representan los valores y direcciones, respectivamente, del campo eléctrico adyacente a la región de curación. e La variación del valor de los campos eléctricos en función de la distancia al punto de curación, donde ΙEΙ representa los valores de los campos eléctricos redistribuidos y ΙE0Ι representa el valor original de los campos eléctricos distribuidos antes del proceso de corte-curación. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
El dispositivo EL contenía la capa de fósforo compuesta (compuesta de PU / ZnS / BN) intercalada por dos conductores iónicos transparentes simétricos (basados en PAA-NaCl). La morfología de cada capa / componente se caracterizó utilizando imágenes ópticas y SEM de emisión de campo. La restauración de la resistencia mecánica después de la curación de cada capa se evaluó colgando un peso. Las conductividades iónicas que se midieron con espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) mostraron una restauración completa en comparación con el valor inicial, incluso después de 10 ciclos de cicatrización de corte.
Como prueba del principio de funcionamiento, los científicos también observaron la reactivación de un circuito de diodos emisores de luz (LED) después de los ciclos de curación de cortes del material conductor. La capacitancia de la capa dieléctrica se mantuvo casi constante después de diferentes ciclos de curación, lo que indica que la intensidad de la emisión de luz y el voltaje distribuido permanecieron casi constantes después de la curación. Las propiedades mecánicas del dispositivo EL curado indicaron la restauración tanto de la resistencia a la tracción como del módulo de Young en el punto de rotura del dispositivo, incluso después de 10 ciclos de cicatrización de corte.
Proceso de ensamblaje LEGO de dispositivos EL autorreparables. a) Se cortó un dispositivo EL completo en dos unidades EL individuales. a-i) indica el estado de reposo inicial, a-ii) el estado de trabajo, y a-iii) el estado cortado. b) Las dos unidades EL obtenidas en estado de funcionamiento. c) Los dos dispositivos EL obtenidos se ensamblaron en una letra “T” emisora de luz. d) Los caracteres emisores de luz ensamblados como “CITYU” con diferentes unidades EL. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Los científicos también demostraron el estado de trabajo inicial, estado de corte y estado curado (trabajo después de la curación) guiado por el diseño racional tanto para los materiales como para el dispositivo. La reactivación exitosa del rendimiento de emisión de luz del dispositivo EL indicó la restauración de las propiedades fisicoquímicas y mecánicas en cada capa funcional. Los datos experimentales encajan bien con la ecuación derivada del estudio tanto para el estado de trabajo inicial como para el estado curado.
Basado en la excelente capacidad de curación de los dispositivos EL, los científicos ensamblaron algunas unidades EL en un sistema EL integrado para construir un conjunto LEGO de dispositivos emisores de luz. Para lograr esto en el laboratorio, el dispositivo EL se cortó por la mitad para crear EL1 y EL2, y ambas unidades funcionaron sin ninguna degradación visible de la luminiscencia. Durante el proceso de montaje de LEGO, los científicos implementaron dos unidades EL para formar una letra emisora de luz en forma de T, con funcionalidad visible en la cicatrización. Adicionalmente, los científicos reunieron los materiales para formar palabras con emisiones de luz de colores utilizando partículas de fósforo de ZnS dopadas con diferentes elementos.
El estudio fue el primero en informar sobre el ensamblaje arbitrario de dispositivos EL tipo LEGO, donde todas las capas funcionales podrían curarse. El diseño novedoso se puede aplicar para desarrollar conductores iónicos, hidrogeles curativos como electrodos transparentes y polímeros dieléctricos curativos con capas aislantes de fósforo. Dichos materiales tendrán aplicaciones avanzadas para construir la próxima generación de dispositivos portátiles, Electrónica deformable y autorregenerable.
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