В последние годы инженеры и материаловеды пытаются выявить особо перспективные материалы для создания гибкой электроники различных форм и размеров. В конечном итоге эта электроника может быть интегрирована в носимые устройства (например, умные часы и медицинские устройства для отслеживания биологических сигналов), мягкие роботы и другие системы.
Среди многих типов материалов, которые можно использовать для изготовления растягиваемой электроники, есть жидкие металлы на основе сплавов галлия, которые по существу представляют собой смеси металлов, включающих галлий. Жидкие сплавы галлия по своей природе жидкие и обладают высокой проводимостью, что является двумя преимуществами для создания мягкой или гибкой электроники.
Однако создание трехмерных (3D) схем с использованием любых жидких металлов до сих пор оказалось сложной задачей. Это наложило ограничения на возможные структуры, которые могут быть созданы с использованием жидких сплавов галлия, препятствуя их широкому использованию для создания мягких и растяжимых электронных устройств.
Исследователи из Харбинского технологического института и Китайской академии наук недавно изготовили гибкую электронику с трехмерными схемами, используя жидкий сплав галлия и индия. В их статье, опубликованной в Nature Electronics, идентифицируется сплав галлия с подходящими свойствами для разработки гибкой электроники, включая фазовый переход твердое тело-жидкость, механическую прочность и хорошую пластичность в твердом состоянии .
«Мы показываем, что сплав галлия-индия можно использовать для изготовления гибкой электроники с трехмерными схемами, используя фазовый переход твердое тело-жидкость и пластическую деформацию жидкого металла», — написали Гоцян Ли и его коллеги в своей статье.
Чтобы изготовить гибкую электронику с использованием их сплава галлия и индия, Ga 10 In, исследователи сначала охладили объемный образец сплава до низких температур. Этот процесс позволил им затем превратить материал в твердую металлическую проволоку и листы.
«Твердые, но пластически деформируемые провода из сплава формируются в цепи при низких температурах (ниже 15 градусов по Цельсию) и заключаются в эластомер, а затем нагреваются выше их температуры плавления», — объяснили Ли и его коллеги в своей статье. «Впоследствии эффект переохлаждения позволяет сплаву сохранять жидкое состояние в широком диапазоне температур, в том числе ниже температуры плавления».
Заключив предварительно изготовленные конструкции из жидкого металла в эластомер и нагрев их до температуры выше 22,7 градусов по Цельсию, команда гарантировала, что эти конструкции восстановили свою текучесть. В результате получился растяжимый жидкий металл, который проводит электричество и, таким образом, может использоваться для создания гибких электронных компонентов.
«Мы используем эту технику для изготовления высокочувствительных тензодатчиков, трехмерных соединительных арок для интеграции массива светодиодов (LED), а также трехмерного носимого датчика и многослойной гибкой печатной платы для отслеживания движения пальцев», — говорится в сообщении.
В первоначальных испытаниях структуры сплавов, созданные Ли и его коллегами, оказались очень полезными для разработки гибкой электроники. Чтобы продемонстрировать их потенциальное применение в электронике, команда использовала эти структуры для создания различной электроники, в том числе датчика деформации, межсоединений для интеграции светодиодов и электронной системы для отслеживания движений пальцев.
В будущем предложенная новая стратегия создания гибкой электроники на основе сплава галлия-индия может быть использована для изготовления аналогичных жидкометаллических структур на основе других сплавов и материалов. Кроме того, конструкции из сплава, созданные Ли и его коллегами, вскоре можно будет использовать для изготовления растяжимой электроники, включая компоненты для носимых устройств и мягких роботизированных систем.
