O processo de fabricação e mecanismo de autocura. Processo de síntese da camada condutora iônica PAA / NaCl em (a) e da camada de fósforo composta PU / ZnS / BN em (b), onde as fotografias ópticas das camadas obtidas são mostradas. c-i) Princípio esquemático e estrutura do dispositivo EL autocurável. c-ii) Circuito equivalente de um dispositivo EL, onde C representa o capacitor correspondente e R representa a resistência do condutor iônico. d-i) Processo de cicatrização de corte do dispositivo EL autocurável como fabricado. d-ii) Esquemático da região de corte, que ilustra o mecanismo autocurável e a configuração de cada camada. e) Imagem SEM da camada de fósforo PU inicial do ângulo de visão de baixo para cima. f) Imagem SEM da camada de fósforo de PU cicatrizada; a ferida curada foi representada pelo retângulo vermelho. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Em um estudo recente, os cientistas de materiais Guojin Liang e seus colegas de trabalho do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade da cidade de Hong Kong, desenvolveram uma autocura, dispositivo eletroluminescente (EL) que pode reparar ou curar a si mesmo após um dano. Inspirado pela capacidade de autocura dos sistemas biológicos, o novo processo abre caminho para uma série de novas aplicações eletrônicas. Embora os dispositivos EL sejam normalmente usados em monitores digitais, backlights para painéis de controle e eletrônicos vestíveis, eles estão sujeitos a danos. A fragilidade pode restringir a vida útil do dispositivo, sustentabilidade e confiabilidade para aplicações eletrônicas de longo prazo.
O primeiro dispositivo EL de autocura desenvolvido no estudo foi construído usando um hidrogel de ácido poliacrílico de autorrecuperação modificado para eletrodos, acoplado ao poliuretano autorrecuperável como hospedeiro de fósforo para isolamento elétrico. Os cientistas demonstraram que as propriedades físico-químicas da restauração do dispositivo podem ser mantidas mesmo depois de sofrer danos catastróficos. Esses sistemas EL terão aplicações novas e empolgantes de próxima geração, como hidrogéis de cura e polímeros dielétricos em dispositivos vestíveis. O trabalho agora está publicado em Light:Ciência e Aplicações .
O desempenho luminescente de dispositivos EL de autocura foram recuperados com alta eficácia de cura no estudo. O conceito pode ser transferido para a cura entre dispositivos para realizar um processo de montagem do tipo LEGO conceitual em dispositivos emissores de luz. Por meio do processo de design e engenharia de dispositivos EL de autocura, os cientistas pretendiam reviver seu desempenho enquanto expandiam sua vida útil, mesmo depois que o material foi cortado ao meio. Liang et al. espere que tais dispositivos EL de autocura desenvolvidos usando hidrogéis de cura ionicamente condutores e polímeros dielétricos sirvam como um sistema modelo para aplicações eletroluminescentes.
Dispositivos eletroluminescentes (EL) têm aplicações em sistemas versáteis e disciplinas, incluindo robótica leve, como atuadores de pele artificial; em eletrônica flexível, eletrônicos vestíveis, visores digitais e como sensores. Os avanços na ciência dos materiais levaram a dispositivos EL multifuncionais primorosamente projetados e desenvolvidos usando transparentes, materiais condutores que integram robótica leve de inspiração biológica e configurações de dispositivos otimizadas. Exemplos incluem:
Embora os processos de engenharia mecânica tenham desenvolvido dispositivos robustos com materiais robustos, para configurações de dispositivos que minimizam a tensão, se a tensão exceder o limite de resistência, a degradação do desempenho do dispositivo não pode ser evitada. A manutenção e substituição de tais componentes defeituosos em sistemas integrados, sistemas eletrônicos multifuncionais são intratáveis ou caros, e continua sendo uma preocupação primária. O desenvolvimento de uma estratégia eficaz pode estender significativamente a vida útil dos dispositivos EL.
Caracterizando o dispositivo EL. a – c) Imagens dos processos de autocura das camadas do componente EL e do dispositivo (camada PAA - a, Camada composta de PU — b, e dispositivo EL — c). Nestes processos, i) mostra os estados iniciais, ii) mostra os estados de corte, iii) mostra os estados curados, iv) mostra os estados curados pendurando um peso, e o retângulo vermelho denota as feridas curadas. O peso é de 10 g de massa. d) Condutividade iônica do condutor PAA após vários tempos de corte-cura. e) Capacitância dielétrica da camada de fósforo PU após vários tempos de corte-cura. f) Resistência mecânica do dispositivo EL após vários tempos de corte e cura. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
No estudo, materiais de autocura foram projetados e desenvolvidos com recursos de cura intrínsecos ou extrínsecos, semelhantes aos experimentos anteriores. Os recursos presentes permitem o reparo autônomo de danos, mesmo sob estímulos externos, como pH, luz, campos elétricos ou magnéticos após danos extensos. Propriedades de cura existem no nível do material, mas as melhorias para aumentar a vida útil e a confiabilidade do dispositivo estão em andamento. A maioria dos desempenhos de autocura anteriores também eram aplicáveis apenas no nível de uma única camada constituinte em um dispositivo EL de várias camadas, onde as camadas restantes foram reparadas manualmente por meio de pequenos remendos.
Para lidar com as limitações existentes, Liang et al. adotou hidrogéis de ácido poliacrílico autocurativo (PAA) modificados contendo cloreto de sódio (NaCl) como eletrodo iônico. Em seguida, eles incluíram partículas de sulfeto de zinco (ZnS) contendo poliuretano (PU) de autocura como uma camada de composto de fósforo para demonstrar o primeiro dispositivo EL de autocura otimizado inatamente no estudo. Juntamente com a cura do dano da fratura, a cura entre dispositivos também foi restaurada pela primeira vez para permitir a montagem semelhante a LEGO no nível do dispositivo EL. O estudo simplificou processos complexos e caros de reparo e substituição em sistemas eletrônicos integrados.
Dispositivo EL de autocura. Os cientistas demonstram o dispositivo EL de autocura durante o estado inicial de trabalho e após o corte, cura e estado de trabalho revivido. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Os hidrogéis à base de polímero (camada de PAA e camada de compósito de PU) foram desenvolvidos em nível molecular para obter o caráter físico-químico desejado. Um hidrogel foi projetado para realizar simultaneamente os traços desejados de transparência à luz visível, condutividade iônica e autocura. O hidrogel PAA continha NaCl uniformemente distribuído (4M) para atingir 96,5 por cento de transmitância média para transparência na faixa de luz visível e uma alta condutividade iônica de 2,1 S / m. Os grupos carboxila na estrutura do PAA transferiram a capacidade de autocura para o hidrogel por meio de ligações de hidrogênio.
O eletricamente isolante, A camada de compósito de fósforo que emite luz e autocura continha PU modificado com grupos carboxila para ligar partículas de fósforo (ZnS). Os cientistas usaram nanofolhas de nitreto de boro (BN) para aumentar a permissividade dielétrica e melhorar a luminescência da camada composta. O dispositivo EL final compreendia uma configuração de três camadas. Os materiais foram avaliados por microscopia eletrônica de varredura (MEV) após a fabricação e após a resposta dano / cicatrização. O caráter físico-químico do material multicamadas foi restaurado após o dano.
Caracterizando a resposta de cicatrização inicial:desempenho de emissão de luz do dispositivo EL auto-cicatrizado após o processo de cicatrização por corte. a Demonstração do processo de cicatrização por corte do dispositivo EL curável. a-i-a-iii exibe o estado de funcionamento inicial, estado de corte, e reviveu o estado de funcionamento, respectivamente, após a cura. a-iv mostra o estado de funcionamento de dobra do dispositivo EL curado. b Luminância - características de tensão do dispositivo EL para os estados inicial e recuperado. c Distribuição do campo elétrico através da camada de fósforo, onde a barra de cores representa a intensidade do campo elétrico. d Imagem ampliada de uma região marcada em c, onde os comprimentos e direções das setas representam os valores e direções, respectivamente, do campo elétrico adjacente à região de cura. e A variação do valor dos campos elétricos em função da distância até o ponto de cicatrização, onde ΙEΙ representa os valores dos campos elétricos redistribuídos e ΙE0Ι representa o valor original dos campos elétricos distribuídos antes do processo de corte-cura. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
O dispositivo EL continha a camada de fósforo composta (composta de PU / ZnS / BN) ensanduichada por dois condutores iônicos transparentes simétricos (com base em PAA-NaCl). A morfologia de cada camada / componente foi caracterizada usando MEV de emissão de campo e imagens ópticas. A restauração da resistência mecânica após a cura de cada camada foi avaliada pendurando um peso. As condutividades iônicas que foram medidas com espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) mostraram restauração completa em comparação com o valor inicial, mesmo após 10 ciclos de cicatrização por corte.
Como prova do princípio de funcionamento, os cientistas também observaram o renascimento de um circuito de diodo emissor de luz (LED) após ciclos de cura de corte do material condutor. A capacitância da camada dielétrica permaneceu quase constante após diferentes ciclos de cura, indicando que a intensidade da emissão de luz e a voltagem distribuída permaneceram quase constantes após a cura. As propriedades mecânicas do dispositivo EL curado indicaram a restauração da resistência à tração e do módulo de Young no ponto de ruptura do dispositivo, mesmo após 10 ciclos de cicatrização por corte.
Processo de montagem LEGO de dispositivos EL de autocura. a) Um dispositivo EL completo foi cortado em duas unidades EL individuais. a-i) indica o estado de repouso inicial, a-ii) o estado de trabalho, e a-iii) o estado de corte. b) As duas unidades EL obtidas no estado de funcionamento. c) Os dois dispositivos EL obtidos foram montados em uma letra emissora de luz “T”. d) Os caracteres emissores de luz montados como “CITYU” com diferentes unidades EL. Crédito:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Os cientistas também demonstraram o estado inicial de trabalho, estado de corte e estado curado (trabalho após cura) guiados pelo design racional para os materiais e o dispositivo. A recuperação bem-sucedida do desempenho de emissão de luz do dispositivo EL indicou a restauração das propriedades físico-químicas e mecânicas em cada camada funcional. Os dados experimentais se ajustam bem à equação derivada no estudo, tanto para o estado inicial de trabalho quanto para o estado curado.
Com base na excelente capacidade de cura dos dispositivos EL, os cientistas montaram algumas unidades EL em um sistema EL integrado para construir um conjunto LEGO de dispositivos emissores de luz. Para fazer isso no laboratório, o dispositivo EL foi cortado pela metade para criar EL1 e EL2, e ambas as unidades funcionaram sem qualquer degradação visível na luminescência. Durante o processo de montagem do LEGO, os cientistas implementaram duas unidades EL para formar uma letra emissora de luz em forma de T, com funcionalidade visível na cura. Adicionalmente, os cientistas reuniram os materiais para formar palavras com emissões de luz coloridas usando partículas de fósforo ZnS dopadas com diferentes elementos.
O estudo foi o primeiro a relatar a montagem arbitrária de dispositivos EL semelhantes a LEGO, onde todas as camadas funcionais podem ser curadas. O novo design pode ser aplicado para desenvolver ionicamente condutivo, Hidrogéis de cura como eletrodos transparentes e polímeros dielétricos de cura com camadas isolantes de fósforo. Esses materiais terão aplicações avançadas para construir a próxima geração de vestíveis, eletrônica deformável e de autocura.
© 2018 Science X Network
