p (PhysOrg.com) - Agora que os cientistas desenvolveram uma grande variedade de dispositivos e materiais de nano e micro tamanhos, um dos maiores desafios é encontrar uma maneira prática de incorporá-los em sistemas em macroescala. Por exemplo, sensores minúsculos, atuadores, e os dispositivos eletrônicos só podem atingir todo o seu potencial quando podem ser explorados em grandes sistemas na vida cotidiana. Em um novo estudo, os pesquisadores desenvolveram uma maneira eficaz de unir as escalas micro e macro ao projetar uma rede de microfios e micronodos que podem ser expandidos de alguns centímetros quadrados a um metro quadrado em níveis de baixa tensão no material. p Giulia Lanzara, Janmin Feng, e Fu-Kuo Chang do Departamento de Aeronáutica e Astronáutica da Universidade de Stanford publicaram seu estudo em uma edição recente da Materiais e estruturas inteligentes .

p Como os pesquisadores explicam em seu estudo, A incorporação de componentes eletrônicos miniaturizados em grandes objetos ainda não foi alcançada com as tecnologias atuais a custos acessíveis. O método tradicional geralmente envolve primeiro a fabricação de nano / microcomponentes e, em seguida, montá-los e conectá-los em escala macro. Uma vez que pode haver milhares de componentes para montar, este método rapidamente se torna caro e demorado. Abordagens alternativas incluíram a fabricação de micro componentes em substratos extensíveis, mas até agora nenhum projeto tolerou grandes quantidades de esforço e alongamento. Em seu estudo, os pesquisadores de Stanford também usam um substrato extensível, mas seu design é altamente expansível, permitindo alongamento bidimensional maior que 25, 600%.

p “Um dos maiores sonhos da ciência e tecnologia é desenvolver materiais / estruturas ou dispositivos 'inteligentes' que podem se assemelhar às múltiplas funcionalidades únicas de sistemas vivos, ”Lanzara disse PhysOrg.com . “Consequentemente, o principal desafio é a integração não invasiva de uma matriz distribuída de nano / microdispositivos em materiais macroscópicos. A ideia que propus para superar esse problema é construir uma série de nano / microdispositivos em um substrato expansível e flexível, padronizado em microescala e que se assemelha, uma vez expandido, uma teia de aranha gigante e ultraleve. A teia pode então ser integrada para fazer materiais 'inteligentes' sem o risco de impactar o peso, desempenho mecânico e confiabilidade dos materiais de hospedagem. O método proposto em várias escalas representa o primeiro passo para a realização de materiais verdadeiramente funcionais que se assemelham a sistemas vivos. ”

p Entre seus experimentos, os pesquisadores construíram uma rede que consiste em 5, 041 micronodos com diâmetros de cerca de 200 micrômetros (estes podem hospedar sensores minúsculos, atuadores, etc.) que são conectados em um padrão de grade por microfios. A chave para o design expansível é organizar os microfios pré-expandidos em loops e segmentos - essencialmente, comprimir um fio tão longo quanto possível entre os nós de forma a permitir a expansão em níveis de baixa tensão. Ao revestir os microfios com uma camada de alumínio, os pesquisadores poderiam capacitá-los a funcionar como interconexões elétricas entre os nós de vários dispositivos eletrônicos. Os micronodos localizados na periferia da rede poderiam então retransmitir sinais elétricos para dentro e para fora da rede.

p A fabricação e expansão da rede é nova, mas relativamente simples. Os pesquisadores primeiro padronizaram os microfios e micronodos funcionais (na configuração pré-expandida) em um filme Kapton de 10 centímetros de diâmetro, que é um material polimérico que também é usado como isolamento para trajes espaciais e fios elétricos em ônibus espaciais. O material desnecessário foi removido do filme de Kapton para formar uma rede de micronodos interconectados por microfios.

p A rede de polímero foi então esticada por uma máquina de esticamento controlada à mão, primeiro em uma direção e depois na outra. Conforme a rede se expande, os loops do microfio se espalham como um acordeão (mas os nós não se estendem). Usando um microscópio, os pesquisadores inspecionaram a rede expandida de um metro quadrado e descobriram que os microfios e micronodos ainda eram mecânica e eletricamente sólidos. Os micronodos também foram colocados com precisão em locais predefinidos após a expansão.

p “A abordagem que propus é conceitualmente simples, mas ninguém pensou nisso antes, ”Lanzara disse. “Em vez de tentar‘ esticar ’um material para cobrir grandes áreas e confiar apenas nas propriedades físicas do material, por que não simplesmente "remover material desnecessário" de um filme de polímero e "projetar" o material restante na forma de microfios dobrados e micronodos? Desta maneira, simplesmente desdobrando os microfios, o material projetado pode ser expandido para várias ordens de magnitude de seu tamanho original com valores de deformação muito baixos. Este projeto leva a taxas de alongamento bidimensionais que vão além da capacidade de alongamento de qualquer material conhecido hoje. ”

p Geral, a rede expandida é basicamente uma versão em escala macro da rede centimétrica, com ambos feitos dos mesmos componentes de tamanho reduzido. Além disso, toda a grande rede pode ser enrolada em várias formas 3D devido à sua alta flexibilidade e pode ser facilmente integrada em materiais de diferentes rigidezes, como polímeros flexíveis e compostos de fibra de carbono.

p Como explicam os pesquisadores, a rede altamente expansível pode servir como uma maneira econômica de integrar uma matriz de alta densidade de dispositivos em escala nano / micro no nível de escala macro. Embora a aplicação principal desta rede possa ser para sensores que abrangem grandes áreas, a abordagem também pode ter aplicações em equipamentos eletrônicos portáteis, visores semelhantes a papel, têxteis eletrônicos inteligentes, e mais.

p “Este trabalho pode certamente abrir caminho para o espaço, Civil, militares, aplicações médicas e biomédicas, bem como para o desenvolvimento de produtos que têm o potencial de aumentar o conforto e a qualidade do nosso estilo de vida, ”Lanzara disse. "Por exemplo, a teia expandida pode ser usada para produzir têxteis inteligentes para roupas ou dispositivos médicos, para perceber os materiais de transformação do futuro, ou multifuncional, excepcionalmente durável, compostos confiáveis ​​para aeronaves seguras e duráveis, bem como para realizar a pele artificial de robôs humanóides. Fabricar a rede em microescala e expandi-la para macroescala em uma única etapa permite uma redução drástica dos custos de integração em materiais ou estruturas, portanto, as aplicações mencionadas acima podem finalmente ser realizadas na prática. ” p Copyright 2010 PhysOrg.com.
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