Представьте себе тонкий цифровой дисплей, настолько гибкий, что его можно обернуть вокруг запястья, согнуть в любом направлении или наклонить над рулевым колесом автомобиля. Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета разработали именно такой материал, который может сгибаться пополам или растягиваться более чем в два раза по сравнению с первоначальной длиной, при этом излучая флуоресцентный узор.

Материал, описанный в Nature Materials, имеет широкий спектр применения, от носимой электроники и датчиков здоровья до складных компьютерных экранов.

«Одним из наиболее важных компонентов почти каждой бытовой электроники, которую мы используем сегодня, является дисплей, и мы объединили знания из многих различных областей, чтобы создать совершенно новую технологию отображения», — сказал Сихонг Ван, доцент кафедры молекулярной инженерии, возглавлявший исследование с Хуаном де Пабло, семейным профессором молекулярной инженерии Лью.

«Это тот класс материала, который вам нужен, чтобы, наконец, разработать действительно гибкие экраны», — добавил де Пабло. «Эта работа действительно фундаментальна, и я ожидаю, что она позволит использовать многие технологии, о которых мы еще даже не думали».

Изготовление гибких светящихся полимеров

Дисплеи на большинстве высококлассных смартфонов, а также в растущем числе телевизоров используют технологию OLED ( органический светоизлучающий диод ), которая заключает небольшие органические молекулы между проводниками. При включении электрического тока маленькие молекулы излучают яркий свет. . Эта технология более энергоэффективна, чем старые светодиодные и ЖК-дисплеи, и ее хвалят за четкое изображение. Однако молекулярные строительные блоки OLED имеют прочные химические связи и жесткую структуру.

«Материалы, используемые в настоящее время в этих ультрасовременных OLED-дисплеях, очень хрупкие, они не обладают способностью к растяжению», — сказал Ван. «Наша цель состояла в том, чтобы создать что-то, что поддерживало бы электролюминесценцию OLED, но с эластичными полимерами».

Ван и де Пабло знали, что нужно для придания растяжимости материалам — длинным полимерам с гибкими молекулярными цепями, — а также знали, какие молекулярные структуры необходимы для органического материала. излучал свет очень эффективно. Они намеревались создать новые полимеры, сочетающие в себе оба свойства.

«Нам удалось разработать атомные модели интересующих нас новых полимеров, и с помощью этих моделей мы смоделировали, что происходит с этими молекулами, когда вы тянете их и пытаетесь согнуть», — пояснил де Пабло. «Теперь, когда мы понимаем эти свойства на молекулярном уровне , у нас есть основа для разработки новых материалов, гибкость и люминесценция которых оптимизированы».

Вооружившись расчетными данными для новых гибких электролюминесцентных полимеров, они построили несколько прототипов. Как и предсказывала модель, материалы оказались гибкими, эластичными, яркими, прочными и энергоэффективными.

Ключевой особенностью их конструкции было использование «термически активируемой замедленной флуоресценции», которая позволяла материалам высокоэффективно преобразовывать электрическую энергию в свет. Этот механизм третьего поколения для органических излучателей может обеспечить материалы с характеристиками, сравнимыми с коммерческими технологиями OLED.

Видение носимой электроники

Ван ранее разработал растягиваемые нейроморфные вычислительные чипы, которые могут собирать и анализировать данные о здоровье на своего рода гибком пластыре. Возможность теперь создавать растягиваемые дисплеи дополняет его растущий набор инструментов для носимой электроники следующего поколения.

По его словам, гибкие материалы, излучающие свет, можно использовать не только для отображения информации, но и интегрировать в носимые датчики, которым требуется свет. Например , датчики, измеряющие оксигенацию крови и частоту сердечных сокращений , обычно пропускают свет через кровеносные сосуды, чтобы определить кровоток.

Ван сказал, что гибкий светящийся материал также может быть в конечном итоге интегрирован в имплантируемые устройства, такие как те, которые используют свет для управления активностью нейронов в мозге (этот вид так называемой оптогенетики в настоящее время используется только в экспериментах на животных) . для лучше понять мозг и болезни головного мозга).

«Моя общая мечта — создать все необходимые компоненты для полной системы носимой электроники, от датчиков до обработки и отображения информации», — объяснил Ван. «Наличие этого эластичного светоизлучающего материала — еще один шаг к этой мечте».

В будущем команда планирует разработать новые версии дисплея, интегрируя дополнительные цвета во флуоресценцию и повышая эффективность и производительность.

«Цель состоит в том, чтобы в конечном итоге достичь того же уровня производительности, что и существующие коммерческие технологии», — сказал Ван.