Criação de traços condutores robustos. (a) Esquemas para ilustrar o processo de estampagem, onde gotículas isolantes discretas de metal líquido são seletivamente gravadas em relevo para formar uma rede condutora conectada. (b) Micrografia óptica de uma região em relevo mostra o compósito desgastado, que é eletricamente condutor, barra de escala - 250 μm. (c) Padrão em relevo na forma das letras L e M com linhas e conexões intrincadas (barra de escala - 10 mm). (d) Um gráfico de R / R0 vs. deformação aplicada em um traço condutor (ϕ =60%, δ =10%). A curva vermelha mostra o aumento R / R0 previsto com deformação aplicada para um condutor metálico, enquanto o traço condutor de metal líquido em relevo (curva azul) mostra constante ou uma redução de R / R0 (0,56 a 1200% de deformação em comparação com 169 para a previsão). A inserção mostra imagens de uma amostra não tensionada e uma amostra com 1200% de deformação (barra de escala - 50 mm). Crédito:Nature Communications Materials, 10.1038 / s43246-021-00169-4
A eletrônica leve está cada vez mais em demanda para diversas aplicações, mas carecem de invólucros rígidos e, portanto, são suscetíveis ao descarte prematuro após aplicações eletrônicas. Portanto, é necessário criar materiais macios e elásticos com propriedades resilientes e regenerativas. Eletrônicos semelhantes a pele que podem esticar até 1200 por cento de tensão com mudança mínima na resistência elétrica podem reter a condutividade elétrica. Em um novo estudo, Ravi Tutika e colegas de Engenharia Mecânica nos EUA, desenvolveu compósitos macios com microestruturas de metal líquido adaptativas para uma variedade de aplicações na prática.
Aplicações de inspiração biológica no laboratório.
A eletrônica flexível forma componentes importantes em campos emergentes, incluindo a eletrônica vestível para evitar danos sustentados e criar sistemas ajustáveis que sobrevivem a diversos espaços de aplicação. Eletrônicos robustos são autocuráveis e tolerantes a danos; Portanto, pesquisadores pretendem construir funções regenerativas para inspirados biologicamente, aplicações recicláveis no laboratório. Os cientistas já desenvolveram a eletrônica transitória que se dissolve após um período de tempo com condutores geometricamente padronizados para alongamento. Eletrônicos à base de metal líquido também podem ser reparados manualmente e formados usando gotículas de metal líquido discretas com arranjo / escrita ou sinterização a laser. Nesse trabalho, Tutika et al. desenvolveu um compósito de elastômero de metal líquido como uma plataforma macia regenerativa, reconfigurando a microestrutura da gota de metal líquido. A eletrônica regenerativa desenvolvida neste trabalho, apresenta uma plataforma sintonizável para circuitos resilientes e recicláveis com diversas aplicações.
Compostos de metal líquido para eletrônica regenerativa. (a) Um composto de metal líquido demonstrado como um sistema singular para circuitos flexíveis com robustos, traços condutores autocuráveis com resistência invariante à deformação em diferentes níveis de resistência. Amostras não tensionadas e recicladas mostram os LEDs funcionando antes do alongamento e após a reciclagem (barras de escala - 10 mm). Composição do material ϕ =60%, δ =20%. (b) Os esquemas mostram a transformação da microestrutura do metal líquido para permitir os recursos acima - resistência invariante à deformação de um traço condutor criado por meio de estampagem para formar uma rede de partículas de metal líquido. Traços tolerantes a danos por meio de uma reconfiguração autônoma de conexões de partículas de metal líquido para componentes eletrônicos de autocura. Traços reformáveis são habilitados apagando uma rede de metal líquido previamente formada e criando uma nova rede por meio de uma abordagem de apagamento de solvente. Multiuso de circuitos flexíveis por meio da dissolução do composto, que apaga todas as redes de metal líquido e traços elétricos, e reciclagem para uso em novas aplicações. Crédito:Nature Communications Materials, 10.1038 / s43246-021-00169-4 
Para preparar o elastômero, Tutika et al. adicionado polibutadieno (PBD) como um plastificante para propriedades mecânicas e de estampagem. O plastificante exibiu várias características principais, incluindo um macio, altamente maleável, microestrutura resistente com propriedades recicláveis. A equipe usou uma abordagem de processamento de solução para dissolver os pellets sólidos em tolueno e, em seguida, adicionou plastificante à mistura. Eles também adicionaram metal líquido à solução para criar um amálgama de gotículas de metal líquido de tamanho mícron. A equipe então calculou a condutividade elétrica inicial da configuração e destacou o desempenho elétrico dos condutores compostos. A configuração síncrona permitiu que eles ajustassem a resistência e a carga aplicada. O método facilitou o desenvolvimento de resistores altamente extensíveis com uma resistência quase constante. Para demonstrar sua função, Tutika et al. também criou um circuito de LED e conectou os compostos com componentes elétricos rígidos.
Propriedades eletromecânicas dos traços condutores macios. (a) Um gráfico e um esquema ilustram o procedimento de gofragem com controle de feedback. (b) Um gráfico de resistência vs. deformação de tração aplicada de três traços condutores diferentes gravados nas resistências R =10 Ω, 100 Ω, e 1 kΩ (ϕ =60%, δ =20%). A inserção mostra uma fotografia de traços em relevo com R1 =100 Ω e R2 =10 Ω sendo usados como resistores para alterar o brilho do LED (barra de escala - 5 mm). (c) Módulo de tração e (d) deformação na ruptura de um elastômero não preenchido, imaculado (sem relevo), e compósito em relevo. (e) Alongamento de um LED integrado com traços em relevo (barra de escala - 10 mm). (f) Um composto com ϕ =50% usado para criar um circuito de LED para ilustrar a robustez dos traços em operação - flexão, dobrando, torcendo, e alongamento (barra de escala - 10 mm). Barras de erro denotam desvios padrão para n =3. Crédito:Nature Communications Materials, 10.1038 / s43246-021-00169-4
Operação robusta e autocura dinâmica. (a) O gráfico mostra o comportamento cíclico robusto do composto ao longo de 1000 ciclos, cada um até uma deformação de 100%. (b) Gráfico de R / R0 vs. tempo em um teste cíclico de três ciclos em cada etapa até uma deformação de 1000% em incrementos de deformação de 100% (o sombreamento indica os três ciclos em uma determinada deformação), a inserção mostra o perfil de deformação aplicado em função do tempo. (c) O teste de perfuração durante a tensão mostra a capacidade de autocura dinâmica. Um gráfico de R / R0 em relação à deformação e tempo mostra a redução na resistência, mas não mostra perda de condutividade elétrica. A composição para todas as amostras nesta figura é ϕ =60%, δ =10%. Crédito:Nature Communications Materials, 10.1038 / s43246-021-00169-4
Funcionalidade robusta do material composto
Os cientistas então usaram os materiais para conduzir traços condutores e realizar testes de tração. Os resultados destacaram os traços condutores em relevo como candidatos promissores para fiação de circuito flexível, o material também apresentou propriedades de autocura em ambientes agressivos devido à sua robustez. Para construir o circuito suave, a equipe usou traços condutores feitos em uma folha composta de metal líquido-elastômero-plastificante em locais predeterminados com moldes impressos em 3D. Durante os experimentos, Tutika et al. mostrou como os construtos retêm a condutividade elétrica e a resistência mecânica. A natureza solúvel do polímero em tolueno permitiu que o circuito fosse reconfigurável para aplicações práticas com fontes de luz LED. A configuração forneceu um recurso importante do sistema composto não destrutivo. A termoplasticidade do material aliada à natureza líquida do material metálico também permitiu a Tutika et al. para efetivamente reciclar e reutilizar os compostos. As amostras recicladas eram eletricamente isolantes, e podem ser reciclados como compostos para criar circuitos elétricos. A equipe mostrou essa capacidade criando circuitos de LED funcionais para indicar a confiabilidade das conexões elétricas no pristine, amostras de materiais recicláveis.
Reconfiguração e reciclagem de compósito macio de metal líquido. (a) Esquemas e fotografias que mostram o processo de reconfiguração de um traço condutor por abordagem de apagamento de solvente em um compósito com ϕ =60%, δ =20%, barras de escala - 10 mm. (b) Curvas de tensão-deformação do prístino, e amostras recicladas mostrando um nível de estresse mais alto para o primitivo. (c) Micrografias ópticas mostram a mudança na microestrutura de gotículas de metal líquido com reciclagem e os LEDs não mostram perda de funcionalidade elétrica em um composto com ϕ =60%, δ =10% (barra de escala para micrografias - 100 μm e imagens - 10 mm). Crédito:Nature Communications Materials, 10.1038 / s43246-021-00169-4
Panorama
Desta maneira, Ravi Tutika e seus colegas desenvolveram componentes eletrônicos flexíveis autocuráveis e recicláveis que podem ser estendidos a altas tensões para funcionalidades robustas em campos emergentes de eletrônicos flexíveis e flexíveis. A pesquisa é relevante para materiais funcionais macios, onde um único sistema composto multifuncional pode manter propriedades para eletrônicos flexíveis, incluindo extensibilidade robusta, capacidade de cura e reciclabilidade. Durante o desenvolvimento das construções materiais, a equipe usou inclusões de fase líquida exclusivas para reconfigurar a microestrutura do material e formar redes robustas de metal líquido para construir eletrônicos resilientes e regenerativos. O material também é aplicável para diversas funcionalidades, permitindo que os cientistas de materiais reduzam o lixo eletrônico ao lado de uma reciclabilidade aprimorada.
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