За последние несколько десятилетий электронная промышленность стремительно развивалась, что привело к разработке бесчисленного множества устройств различных размеров и форм, предназначенных для самых разных сфер применения.

К ним относится растягиваемая электроника, представляющая собой датчики и другие устройства, которые можно использовать для создания умных часов, фитнес-трекеров, биомедицинских датчиков для мониторинга определенных состояний здоровья и мягких роботов.

Гибкая электроника обычно изготавливается с использованием мягких полимеров, эластичных материалов, состоящих из длинных молекулярных цепей, которые могут подвергаться значительной деформации без разрыва. Чтобы расширить их функции или повысить их производительность, эти полимеры часто комбинируют с микро- или наночастицами , которые имеют особые оптоэлектронные или магнитные свойства, также известные как функциональные частицы.

Большинство существующих подходов к внедрению функциональных частиц в полимеры работают путем диспергирования частиц в жидкие молекулы, которые связываются с другими молекулами, образуя полимер до того, как материал затвердеет. Однако многие из этих стратегий применимы только к некоторым комбинациям полимер-частица или их трудно реализовать в больших масштабах.

Исследовательская группа профессора Джона Хо из Национального университета Сингапура и группа профессора Йонг Лин Конга из Университета Райса недавно представили новый метод изготовления мягкой электроники, который описан в статье в журнале Nature Electronics.

Первым автором данной статьи является доктор Жунчжоу Линь, который в то время был постдокторантом, а сейчас является преподавателем Южно-Китайского технологического университета.

Новый подход, разработанный исследователями, использует явление физики мягкой материи, называемое «поглощением частиц», для внедрения частиц в мягкий полимер. Поглощение частиц — это спонтанный процесс, который происходит, когда так называемая эластокапиллярная длина матрицы полимера превышает характерную длину частиц.

«Эластокапиллярная длина — это масштаб длины, при котором поверхностное напряжение становится важнее объемных упругих напряжений», — рассказал изданию Tech Xplore профессор Юн Линь Конг, соавтор статьи.

«Например, когда на поверхности остается частица размером меньше эластокапиллярной длины (например, очень мягкий субстрат), поверхностное напряжение субстрата может доминировать настолько, что для частицы становится энергетически выгодным «поглощение» самим твердым субстратом.

«Это явление само по себе не ново и уже изучалось другими учеными в сообществе физиков мягкой материи, в том числе в рамках прекрасной работы профессора Эрика Дюфрена из Корнеллского университета. Однако в предыдущих работах изучалось поглощение частиц несколькими частицами, и до сих пор оно не использовалось для изготовления электроники».

Пытаясь создать эффективный датчик мягкой деформации, исследователи обнаружили, что существующие подходы к диспергированию частиц УНТ в полимерных растворах не обеспечивают надежного получения проводящих полимеров, необходимых для высокопроизводительных растягиваемых датчиков. Тем не менее, случайно они обнаружили преимущества использования поглощения частиц для создания этих проводящих полимеров для растягиваемой электроники .

«Традиционные методы создания датчиков деформации с использованием углеродных нанотрубок (УНТ) обычно включают диспергирование УНТ в полимерном прекурсоре с использованием растворителей», — рассказал Tech Xplore Жунчжоу Линь, первый автор статьи.

«Однако при производстве проводящих композитов с использованием этого подхода мы столкнулись с трудностями. Неожиданно мы обнаружили, что нанесение резиновых УНТ на отвержденный силикон приводит к легкому формированию проводящих композитов».

При дальнейшем изучении этого явления ученые обнаружили, что наноматериалы могут спонтанно внедряться в полимерную матрицу посредством явления поглощения частиц. Затем они интегрировали этот подход с печатной установкой, используя трафаретную маску для контроля экспонированных областей, что, как было обнаружено, успешно внедряет широкий спектр функциональных частиц в мягкие полимеры.

Чтобы продемонстрировать потенциал предлагаемого ими метода, команда использовала его для создания эластичной электроники с несколькими слоями, включающими различные материалы. Изготовленные ими устройства могли бы подойти для различных реальных приложений, поскольку было обнаружено, что они обладают возможностями беспроводного зондирования, связи и передачи энергии.

«Насколько нам известно, это первое успешное использование поглощения частиц для создания мягкой электроники», — сказал Линь.

Помимо демонстрации возможности использования поглощения частиц для разработки системной электроники со свойствами, подобными свойствам ткани, это исследование также открывает новые возможности для исследований физики мягкой материи. Будущие исследования могут использовать методы, используемые командой, для дальнейшего изучения физики, лежащей в основе поглощения частиц.

«Поскольку это первое экспериментальное исследование поглощения высоких концентраций частиц, наши экспериментальные данные потенциально могут открыть новые физические идеи, которые ранее не исследовались», — добавил Конг.

«Наши интригующие наблюдения открывают новые вопросы в физике мягкой материи, такие как многослойное поглощение частиц, которые могут вдохновить на будущие приложения».

Поскольку новая стратегия, разработанная исследователями, является масштабируемой и надежной, ее вскоре смогут использовать и другие группы, способствуя дальнейшему развитию электронной промышленности.

В будущем его можно будет использовать для изготовления более широкого спектра электроники, включая электронную оболочку для роботов и растягивающиеся датчики для носимых устройств.