Terry Shyu, Estudiante de doctorado de MSE y asistente de investigación de posgrado, demuestra la capacidad de conducción de un conductor extensible. Crédito:Joseph Xu, Ingeniería de Michigan
El arte del corte de papel puede atravesar un obstáculo en el camino hacia la flexibilidad, electrónica estirable, ha encontrado un equipo de ingenieros y un artista de la Universidad de Michigan.
En el futuro, una pequeña curva en su teléfono inteligente podría considerarse una característica más que un defecto. Un componente importante de la electrónica del futuro que se puede enrollar, doblado o incrustado en objetos flexibles es el conductor estirable, que formaría componentes como cables y electrodos.
Los conductores que se estiran son difíciles de diseñar, y entre los que se conocen, o no se expanden mucho o la conductividad cae en picada cuando lo hacen. Al desarrollar un director inspirado en kirigami, el arte japonés del corte de papel, la conductividad se sacrifica por adelantado. Los cortes se convierten en barreras a la conductividad eléctrica, pero cuando estirado, los conductores son intérpretes constantes.
"El método kirigami nos permite diseñar la deformabilidad de las láminas conductoras, mientras que antes era un proceso muy edisoniano con muchos errores y no muchos éxitos, "dijo Nicholas Kotov, el Profesor de Ingeniería Joseph B. y Florence V. Cejka, refiriéndose al enfoque de prueba y error de Thomas Edison para la invención.
Esto se debe a que cuando los materiales se estiran al máximo, es difícil predecir cuándo y dónde se producirán las roturas. Sin embargo, si las lágrimas están diseñadas de manera reflexiva, la capacidad del material para estirarse y recuperarse se vuelve confiable.
Suena simple pero hasta que el arte y la ingeniería se unieron con este proyecto, nadie había informado sobre el uso de kirigami para abordar el desafío de los conductores extensibles. Los resultados se presentan en la última edición de Materiales de la naturaleza .
Nicolás Kotov, Joseph B. y Florence V. Cejka Profesores de Ingeniería Química, y Matt Shlian, Artista y profesora adjunta en la Escuela de Arte y Diseño, discuten su trabajo sobre un conductor extensible hecho de una estructura de malla de nanotubos de carbono en el Complejo de Investigación del Campus Norte en Ann Arbor, MI el 1 de junio 2015. Crédito:Joseph Xu, Comunicaciones y marketing de ingeniería de Michigan
Matt Shlian, Artista y conferencista en la Escuela de Arte y Diseño de Sellos de la U-M, inspiró el trabajo con una hoja de papel cortada para extenderse en una malla de espina de pescado cuando se estira.
El primer prototipo del conductor estirable kirigami fue papel de calco cubierto de nanotubos de carbono. El diseño era muy simple, con cortes como hileras de guiones que se abrían para parecerse a un rallador de queso.
Montada en un tubo de vidrio lleno de argón, el electrodo de papel convirtió el gas en un plasma brillante. El voltaje a través del electrodo envió electrones libres hacia los átomos de argón, haciendo que emitan luz. Kotov explicó que las matrices de tales electrodos podrían controlar los píxeles de una pantalla de plasma extensible.
Los ingenieros querían comprender exactamente cómo las elecciones de diseño afectaban el comportamiento del conductor extensible, así que Sharon Glotzer, el profesor Stuart W. Churchill de ingeniería química, y su grupo de investigación, realizó simulaciones por computadora.
"En primer lugar, La simulación por computadora nos dio intuición sobre qué tipo de comportamientos se podían esperar de diferentes patrones de corte, "dijo Pablo Damasceno, quien recientemente obtuvo su doctorado en física aplicada.
Matt Shlian, Artista y profesora adjunta en la Escuela de Arte y Diseño, muestra uno de los modelos de papel originales que sirvió de inspiración para un conductor extensible hecho de una estructura de malla de nanotubos de carbono en el Complejo de Investigación del Campus Norte en Ann Arbor, MI el 1 de junio 2015. Crédito:Joseph Xu, Comunicaciones y marketing de ingeniería de Michigan
Luego, el equipo de simulación exploró cómo detalles como la longitud y la curvatura de los cortes, y la separación entre ellos, relacionado con la elasticidad del material.
Para producir el kirigami microscópico, Terry Shyu, un estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales, hizo "papel" especial de óxido de grafeno, un material compuesto de carbono y oxígeno de tan solo un átomo de espesor. Lo colocó en capas con un plástico flexible, hasta 30 capas de cada uno.
La parte dificil Ella explicó, estaba haciendo los cortes de unas pocas décimas de milímetro de largo.
Terry Shyu, Estudiante de doctorado de MSE y asistente de investigación de posgrado, muestra un conductor extensible hecho de una estructura de malla de nanotubos de carbono en el Complejo de Investigación del Campus Norte en Ann Arbor, MI el 1 de junio 2015. Crédito:Joseph Xu, Comunicaciones y marketing de ingeniería de Michigan
En la instalación de nanofabricación de Lurie, Primero cubrió el papel de alta tecnología con un material que se puede quitar con luz láser. Quemó los guiones de ese material, que lo convirtió en una máscara para el proceso de grabado.
Un plasma de iones de oxígeno y electrones rompió el "papel" que no estaba escondido debajo de la máscara, creando las ordenadas filas de guiones microscópicos. Este material se comportó según lo predicho por las simulaciones, estiramiento sin costo adicional en conductividad.
