Una red con 256 micronodos (puntos dorados) se extiende en el dispositivo de estiramiento controlado manualmente. Después de estirarlo en una dirección, la red se gira 90 ° y se estira en la otra dirección. Crédito de la imagen:G. Lanzara, et al.
(PhysOrg.com) - Ahora que los científicos han desarrollado una variedad diversa de dispositivos y materiales de tamaño nanométrico y micro, Uno de los mayores desafíos es encontrar una forma práctica de incorporarlos a los sistemas de macroescala. Por ejemplo, pequeños sensores, actuadores, y los dispositivos electrónicos solo pueden alcanzar su máximo potencial cuando pueden explotarse en grandes sistemas en la vida cotidiana. En un nuevo estudio, Los investigadores han desarrollado una forma eficaz de tender un puente entre las escalas micro y macro mediante el diseño de una red de microhilos y micronodos que se pueden expandir de unos pocos centímetros cuadrados a un metro cuadrado con bajos niveles de deformación en el material.
Giulia Lanzara, Janmin Feng, y Fu-Kuo Chang del Departamento de Aeronáutica y Astronáutica de la Universidad de Stanford han publicado su estudio en un número reciente de Materiales y estructuras inteligentes .
Como explican los investigadores en su estudio, La incorporación de componentes electrónicos miniaturizados en objetos grandes hasta ahora no se ha logrado con las tecnologías actuales a costos asequibles. El método tradicional generalmente implica primero fabricar los nano / microcomponentes y luego ensamblarlos y cablearlos a nivel macroescala. Dado que puede haber miles de componentes para ensamblar, este método rápidamente se vuelve costoso y requiere mucho tiempo. Los enfoques alternativos han incluido la fabricación de microcomponentes en sustratos estirables, pero hasta ahora ningún diseño ha tolerado grandes cantidades de tensión y estiramiento. En su estudio, los investigadores de Stanford también utilizan un sustrato estirable, pero su diseño es altamente expandible, permitiendo un estiramiento bidimensional de más de 25, 600%.
“Uno de los principales sueños de la ciencia y la tecnología es desarrollar materiales / estructuras o dispositivos 'inteligentes' que puedan parecerse a las múltiples funcionalidades únicas de los sistemas vivos, Lanzara dijo PhysOrg.com . “En consecuencia, el mayor desafío es la integración no invasiva de una matriz distribuida de nano / microdispositivos en materiales macroscópicos. La idea que propuse para superar este problema es construir una serie de nano / microdispositivos en un sustrato expandible y flexible, modelado a microescala y que se asemeja, una vez expandido, una telaraña gigante y ultraligera. Luego, la web se puede integrar para hacer materiales "inteligentes" sin el riesgo de afectar el peso, rendimiento mecánico y fiabilidad de los materiales de alojamiento. El método de múltiples escalas propuesto representa el primer paso hacia la realización de materiales verdaderamente funcionales que se asemejen a los sistemas vivos ".
Entre sus experimentos, los investigadores construyeron una red que consta de 5, 041 micronodos con diámetros de aproximadamente 200 micrómetros (estos pueden albergar pequeños sensores, actuadores, etc.) que están conectados en un patrón similar a una rejilla mediante microalambres. La clave del diseño expandible es disponer los microalambres preexpandidos en bucles y segmentos, esencialmente, Comprimir un cable lo más largo posible entre nodos de tal manera que permita la expansión a bajos niveles de deformación. Recubriendo los microalambres con una capa de aluminio, los investigadores podrían permitirles funcionar como interconexiones eléctricas entre los nodos para varios dispositivos electrónicos. Los micronodos ubicados en la periferia de la red podrían transmitir señales eléctricas dentro y fuera de la red.
Dos micronodos están conectados por un microalambre que está dispuesto en bucles y segmentos para permitir un estiramiento de baja tensión. Crédito de la imagen:G. Lanzara, et al.
La fabricación y expansión de la red es novedosa pero relativamente sencilla. Los investigadores primero modelaron los microhilos y micronodos funcionales (en la configuración preexpandida) en una película Kapton de 10 centímetros de diámetro, que es un material polimérico que también se utiliza como aislamiento para trajes espaciales y cables eléctricos en transbordadores espaciales. A continuación, se eliminó el material innecesario de la película de Kapton para formar una red de micronodos interconectados por microhilos.
Luego, la red de polímero se estiró mediante una máquina de estiramiento controlada a mano, primero en una dirección y luego en la otra. A medida que la red se expande, los lazos del microalambre se separan como un acordeón (pero los nodos no se estiran). Usando un microscopio, los investigadores inspeccionaron la red ampliada de un metro cuadrado y encontraron que los microalambres y micronodos todavía eran mecánicamente y eléctricamente sólidos. Los micronodos también se colocaron con precisión en ubicaciones predefinidas después de la expansión.
"El enfoque que propuse es conceptualmente simple, pero nadie pensó en él antes, —Dijo Lanzara. “En lugar de intentar 'estirar' un material para cubrir grandes áreas y confiar solo en las propiedades físicas del material, ¿Por qué no simplemente "eliminar el material innecesario" de una película de polímero y "diseñar" el material restante en forma de microhilos y micronodos doblados? De este modo, simplemente desplegando los microalambres, el material de ingeniería se puede expandir a varios órdenes de magnitud de su tamaño original a valores de deformación muy bajos. Este diseño conduce a relaciones de estiramiento bidimensionales que van más allá de la capacidad de estiramiento de cualquier material conocido en la actualidad ".
En general, la red expandida es básicamente una versión a macroescala de la red del tamaño de un centímetro, con ambos hechos de los mismos componentes de tamaño micro. Además, toda la gran red podría enrollarse en varias formas 3D debido a su alta flexibilidad y podría integrarse fácilmente en materiales de diferentes rigideces, como polímeros flexibles y compuestos de fibra de carbono.
Como explican los investigadores, la red altamente expandible puede servir como una forma rentable de integrar una matriz de alta densidad de dispositivos nano / microescala a nivel macroescala. Si bien la aplicación principal de esta red puede ser para sensores que abarcan grandes áreas, el enfoque también podría tener aplicaciones en equipos electrónicos portátiles, pantallas de papel, textiles electrónicos inteligentes, y más.
"Este trabajo ciertamente puede allanar el camino hacia el espacio, civil, militar, aplicaciones médicas y biomédicas, así como para el desarrollo de productos que tienen el potencial de mejorar la comodidad y la calidad de nuestro estilo de vida, —Dijo Lanzara. "Por ejemplo, la red expandida se puede utilizar para realizar textiles inteligentes para ropa o para dispositivos médicos, para darse cuenta de los materiales morphing del futuro, o multifuncional, excepcionalmente duradero, compuestos fiables para aeronaves seguras y duraderas, así como para realizar la piel artificial de robots humanoides. Fabricar la red a microescala y expandirla a macroescala en un solo paso permite una reducción drástica de los costos de integración en materiales o estructuras, por lo tanto, las aplicaciones antes mencionadas finalmente se pueden realizar en la práctica ".
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