27 августа 2021 года Рассмотрен Алексом Смитом

Кожная электроника нуждается в растягиваемых проводниках, которые демонстрируют металлическую проводимость, сверхтонкую толщину, высокую растяжимость и легкость формирования рисунка. Однако получить эти свойства одновременно сложно.

Теперь исследователи разработали новую технику сборки поплавков для изготовления наномембраны, которая одновременно удовлетворяет все эти потребности. Замечательные характеристики материала объясняются его характерной структурой поперечного сечения с монослоем компактно собранных наноматериалов, частично встроенных в ультратонкую эластомерную мембрану.

«Кожная электроника» – это тонкая гибкая электроника, которая может быть прикреплена к коже. Хотя это может показаться чем-то из научной фантастики, ожидается, что оно найдет применение в устройствах следующего поколения во многих областях, таких как диагностика, мониторинг состояния, человеко-машинный интерфейс и виртуальная реальность.

Как и предполагалось, для разработки таких устройств потребуются эластичные и мягкие компоненты, обеспечивающие механическую совместимость с кожей человека. Одним из важных компонентов кожной электроники является внутренне растягиваемый проводник, способный передавать электрические сигналы между устройствами.

Растягиваемый проводник, который демонстрирует сверхтонкую толщину, высокую растяжимость, проводимость, подобную металлу, и легкость формирования рисунка, необходим для надежной работы и получения высококачественных характеристик. Несмотря на подробные исследования, пока не удалось создать материал, который обладал бы всеми этими свойствами одновременно. Это потому, что они часто идут на компромиссы друг с другом.

Исследователи из Центра исследований наночастиц при Институте фундаментальных наук (IBS) в Сеуле, Южная Корея, во главе с профессорами Тэхван Хён и Дэ-Хён Ким представили новую технику изготовления композитного материала в виде наномембраны. обладающий всеми вышеперечисленными свойствами.

Новый композитный материал состоит из металлических нанопроволок, которые плотно упакованы в монослой внутри ультратонкой резиновой пленки.

Этот инновационный материал был произведен с помощью процесса, разработанного командой, известного как «метод поплавковой сборки». Поплавок использует эффект Марангони, который проявляется в двух жидких фазах с различным поверхностным натяжением.

Наличие градиента поверхностного натяжения порождает поток Марангони от области с более низким поверхностным натяжением к области с более высоким поверхностным натяжением. Это означает, что падение жидкости с более низким поверхностным натяжением на поверхность воды локально снижает поверхностное натяжение. Возникающий в результате поток Марангони приводит к тому, что капля жидкости тонко растекается по поверхности воды.

Наномембрана разработана с использованием техники сборки поплавка, которая включает трехэтапную процедуру. Первый шаг заключается в сбрасывании составного раствора. Это смесь этанола с металлическими нанопроводами и каучука, растворенного в толуоле на поверхности воды. Фаза толуол-каучук остается над водой в результате своего гидрофобного характера. Нанопроволока перемещается к границе раздела между водной и толуольной фазами.

Этанол внутри раствора соединяется с водой для снижения местного поверхностного натяжения. Это создает поток Марангони, который движется наружу и ограничивает агрессивность нанопроволоки. Это организует наноматериалы в нанослой на границе между очень тонкой пленкой каучук / растворитель и водой.

Второй этап включает удаление поверхностно-активного вещества для создания второй волны Марангони. Это вызывает плотное уплотнение нанопроволок. Наконец, третий этап включает испарение толуола. Это дает наномембрану со специальной структурой, в которой сильно уплотненный монослой нанопроволоки частично заключен в ультратонкую резиновую пленку.

Специальная структура обеспечивает эффективное распределение деформации в ультратонкой резиновой пленке. Это приводит к исключительным физическим свойствам, таким как растяжимость более 1000% и толщина всего 250 нм. Конструкция позволяет производить холодную сварку и двухслойное наложение наномембраны друг на друга. Это приводит к металлической проводимости более 100 000 См / см.

Кроме того, исследователи продемонстрировали, что с помощью фотолитографии можно формировать структуру наномембраны. Это важная технология, которая обычно используется для производства современной электроники и промышленных полупроводниковых устройств. Таким образом, предполагается, что наномембрана может действовать как новый платформенный материал для электроники кожи.

Результаты этого исследования могут найти применение не только в разработке кожной электроники. Хотя это исследование продемонстрировало композитный материал, содержащий серебряные нанопроволоки внутри стирол-этилен-бутилен-стирольного (SEBS) каучука, также целесообразно использовать технику сборки поплавков на некоторых наноматериалах, таких как полупроводниковые наноматериалы и магнитные наноматериалы, а также на других типах эластомеров, таких как СИС и ТПУ.

Таким образом, прогнозируется, что сборка поплавка может стать воротами в новые области исследований, в которых используются различные типы наномембран с различными функциями.

Ссылка на журнал:

Jung, D., и др. . (2021) Высокопроводящая и эластичная наномембрана для электроники кожи. Наука . doi.org/10.1126/science.abh4357.

Источник: https://www.ibs.re.kr/eng.do[19459007visible