Инновационные электро-материалы: революция в смарт-устройствах

Команда исследователей из Университета штата Пенсильвания разработала универсальный и масштабируемый подход к созданию беспроводных электронных систем с доступом в интернет. Эти системы способны адаптироваться к трехмерным поверхностям, таким как человеческое тело или бытовые предметы, открывая путь к более точному мониторингу здоровья и автоматизации дома. Например, умное кресло сможет отслеживать и корректировать неправильную посадку, улучшая кровообращение и предотвращая долгосрочные проблемы.

Метод, подробно описанный в журнале Science Advances, заключается в печати жидких металлических узоров на термоусаживаемых полимерных подложках — по сути, на материале, напоминающем детский пластик для рукоделия "Shrinky Dinks". По словам руководителя команды Хуанью "Ларри" Чэна, профессора инженерии в Колледже инженерии, этот потенциально недорогой способ создания настраиваемой электроники, принимающей форму поверхности и подключающейся к интернету, сделает подобные устройства более доступными.

"Мы видим значительный потенциал этого подхода для биомедицинских применений или носимых технологий," — отметил Чэн, подчеркнув, что объем этого рынка к 2030 году прогнозируется на уровне 186,14 миллиарда долларов. "Однако одним из существенных препятствий для отрасли является поиск способа производства легко настраиваемых устройств, которые можно было бы применять на свободных, произвольных поверхностях и которые могли бы беспроводно обмениваться данными. Наш метод решает эту проблему".

Янбо Юань, аспирант и соавтор исследования, пояснил, что современные методы производства носимой электроники с подключением к интернету включают прямое нанесение схем на целевые поверхности с помощью 3D-печати, что является сложным процессом, ограничивающим масштабируемость и рентабельность.

По его словам, более экономичные методы, использующие жидкий металл и манипулирующие размягченными термопластичными материалами, предлагают ограниченные возможности переконфигурации или настройки из-за необходимости использования предварительно сформированных форм. В целом, ни один из существующих коммерческих методов не решает задачу применения умного устройства с Wi-Fi на сложных трехмерных поверхностях или структурах в промышленных масштабах.

"Мы работали над подходами, позволяющими наносить схемы на тело человека или различные трехмерные объекты, но наша мечта — найти решение, которое было бы максимально простым в изготовлении, не только в специализированной лаборатории, но и дома", — поделился Чэн.

Мечта исследователей стала реальностью, когда они обнаружили полимер, используемый в наборах для творчества с термоусадочным пластиком — широко распространенном детском материале для создания уникальных поделок, таких как брелоки или украшения. Листы такого пластика можно приобрести онлайн менее чем за 15 долларов, что соответствовало их критериям низкой стоимости и доступности.

"Когда мы увидели этот термоусаживаемый пластик, он показался нам идеальным решением", — сказал Юань, объяснив, что при нагревании листы равномерно сжимаются в горизонтальном и вертикальном направлениях, обеспечивая контролируемый процесс усадки. "Наша цель — создать универсальную и широко доступную для всех желающих основу".

Выбрав материал основы, исследователям нужно было найти способ нанесения схемы на полимер, который выдержит процесс термоусадки без потери проводимости или структурной целостности. Проводимость является ключевым фактором для минимизации энергопотребления и повышения эффективности передачи данных, что необходимо для подключения схемы к сети Wi-Fi, отметили исследователи.

По мнению команды, традиционные металлы, используемые в схемах, такие как золото или серебро, не только дороги, но и слишком жесткие, чтобы выдержать процесс усадки. Это могло бы привести к образованию морщинистых структур, снижающих производительность. Команда имела опыт нанесения жидкого металла — сплава галлия и индия с температурой плавления около 15°C — на растяжимые структуры и увидела потенциал в обратном подходе.

Чтобы лучше понять свойства жидкого металла, они сотрудничали с Фейфэй Ши, доцентом кафедры инженерии энергетики. Лаборатория Ши была спроектирована для устранения тех же факторов окружающей среды, которые влияют на жидкий металл, таких как воздух или влажность, для ее исследований в области электрохимии литий-ионных батарей, требующих строгого контроля окружающей среды. Команда проводила эксперименты внутри стеклянного ящика, заполненного аргоном, что позволяло им работать с чувствительным материалом, предотвращая неконтролируемое окисление или другие изменения.

"Жидкий металл — это волшебный металл", — сказала Ши. "Но поскольку материал очень новый, недостаточно изучены его внутренние свойства, такие как поверхностное натяжение или химия. Его поведение также трудно предсказуемо. Поэтому на каждом этапе нам нужно поэтапно все анализировать, чтобы понять, что происходит".

Ши помогла исследователям наблюдать, как жидкий металл растекается при нагревании полимера.

"Жидкий металл отлично растекается в виде капель", — пояснил Чэн. "Наша задача заключалась в том, чтобы обеспечить сохранение соединения между каплями для проведения электрического тока, при этом сохраняя их связь с подложкой. Иначе, подложка сожмется, а схема — нет, и это стало бы большой проблемой".

Решением стала модификация исходного жидкого металла.

Исследователи решили проблему адгезии, инкапсулируя и диспергируя капли жидкого металла с помощью ультразвуковой обработки — процесса, использующего высокочастотные звуковые волны для создания ультразвуковых вибраций, превращающих жидкость в мелкие частицы — и додецилбензолсульфоната натрия, химического вещества, похожего на стандартный моющий порошок. Шаги модификации изменили гидрофобную природу жидкого металла, отталкивающую воду, на гидрофильную, притягивающую воду, создав среду, более благоприятную для связывания.

Они также применили плазменную обработку пластикового листа для стимулирования образования водородных связей. Исследователи обнаружили, что сочетание модифицированного жидкого металла и плазменного покрытия позволило печатной схеме выдержать процесс термоусадки, а также привело к улучшению ее характеристик, отметил Юань.

Ультразвуковой процесс позволил получить жидкий металл, содержащий как твердые, так и жидкие компоненты: твердый компонент улучшил проводимость и механическую прочность, а жидкий компонент сохранил текучесть металла. Кроме того, они обнаружили, что жидкий металл заполнял микроскопические поры в пластиковом листе перед затвердеванием, формируя взаимосвязанную структуру. В целом, тесты показали, что шаги модификации увеличили адгезию на 20%.

"Мы продолжаем исследовать подложку; мы не знаем всей ее морфологии, но, наблюдая, как жидкий металл переходил из плоского состояния в куполообразную структуру, в сочетании с улучшенной производительностью, мы видим, как трехмерная архитектура и геометрия могут улучшить дизайн схем", — сказал Чэн.

Нанося черные чернила для создания схемы на подложку, а затем используя ближнее инфракрасное излучение, команда могла направленно нагревать материал, сжимая его до целевой геометрической формы.

"Изготовление мелких схем требует очень дорогостоящего оборудования, инфраструктуры и точных рук, обладающих большим опытом и навыками", — отметил Чэн. "Возможность начать с большей площади поверхности, а затем уменьшить ее размер, открывает интересные перспективы".

Далее команда использовала повторяющиеся геометрические узоры для создания более компактной антенны. Юань пояснил, что возможность контролировать, как материал складывается и трансформируется, позволяет им разрабатывать формы, которые уменьшают помехи и адаптируются к различным поверхностям и формам. Их процесс использования термически индуцированной усадки для формирования антенн на бытовых предметах может значительно снизить производственные затраты по сравнению с разработкой индивидуальных антенн для каждого отдельного объекта, отметил Юань.

"В этом контексте термоусаживаемая антенна вместе с совместимыми сенсорными модулями может быть развернута как готовое решение для оснащения обычных повседневных объектов интеллектуальными беспроводными возможностями, демонстрируя высокий потенциал для модернизации существующего домашнего инвентаря в "умные дома", — сказал Юань.

В качестве тестового устройства концепции команда разработала носимое кольцо со встроенным миниатюрным акселерометром, который захватывал и успешно передавал основанные на жестах движения по сети. Первоначальные результаты показали потенциал для широкого спектра применений, но Юань отметил, что для конкретных сценариев использования, таких как распознавание языка жестов по движениям пальцев, потребуются дальнейшие испытания.

"Мы предлагаем захватывающую основу с широкой совместимостью материалов, точностью и низкими производственными затратами, которая открывает перспективный путь к следующему поколению трехмерных электронных устройств, делая их более доступными", — сказал Юань.

Чэн уже думает о следующих шагах и будущих сотрудничествах с исследователями из Колледжа инженерии и Медицинского колледжа Университета штата Пенсильвания для улучшения дизайна антенн и биомедицинских применений.

"Возможность создания настраиваемого, недорогого устройства, которое отслеживает информацию о пациенте, — это захватывающая, потенциально спасительная возможность, независимо от формы или размера пациента", — заключил Чэн.