23 ژانویه 2025 -توسط Ingrid Fadelli، حسگرهای نرم روی الاستومر سایز A4 فرو رفته است. اعتبار: Rongzhou Lin.
صنعت الکترونیک در چند دهه گذشته به سرعت در حال پیشرفت بوده و منجر به توسعه دستگاه های بی شماری در اندازه ها و شکل های مختلف شده است که برای کاربردهای مختلف طراحی شده اند.
اینها شامل لوازم الکترونیکی قابل کشش است که حسگرها و سایر دستگاه‌هایی هستند که می‌توانند برای ایجاد ساعت‌های هوشمند، ردیاب‌های تناسب اندام، حسگرهای زیست پزشکی برای نظارت بر شرایط خاص سلامت و روبات‌های نرم استفاده شوند.
الکترونیک انعطاف پذیر معمولاً با استفاده از پلیمرهای نرم، مواد الاستیک متشکل از زنجیره های مولکولی طولانی که می توانند بدون شکستن تغییر شکل قابل توجهی داشته باشند، ساخته می شوند. این پلیمرها برای گسترش عملکرد یا افزایش عملکردشان، اغلب با ذرات میکرومقیاس یا نانومقیاس که خواص نوری یا مغناطیسی خاصی دارند، که به عنوان ذرات عملکردی نیز شناخته می‌شوند، ترکیب می‌شوند.
اکثر رویکردهای موجود برای معرفی ذرات عاملی در پلیمرها با پراکنده کردن ذرات در مولکول‌های مایع کار می‌کنند که با مولکول‌های دیگر پیوند می‌خورند تا پلیمر را قبل از جامد شدن ماده تشکیل دهند. با این حال، بسیاری از این استراتژی‌ها فقط برای برخی از ترکیب‌های پلیمر-ذره قابل اجرا هستند یا پیاده‌سازی آنها در مقیاس بزرگ دشوار است.
گروه تحقیقاتی پروفسور جان هو در دانشگاه ملی سنگاپور و گروه پروفسور یونگ لین کنگ در دانشگاه رایس اخیراً روش جدیدی را برای ساخت وسایل الکترونیکی نرم معرفی کرده اند که در مقاله ای در Nature Electronics بیان شده است.
اولین نویسنده این مقاله دکتر رونگژو لین است که در آن زمان یک محقق فوق دکترا بود و اکنون عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی چین جنوبی است.
رویکرد جدید توسعه یافته توسط محققان از یک پدیده فیزیک ماده نرم به نام “غرق ذرات” برای جاسازی ذرات در یک پلیمر نرم استفاده می کند. غرق شدن ذرات فرآیندی خود به خودی است که زمانی رخ می دهد که طول به اصطلاح الاستوکاپیلاری ماتریس پلیمر از طول مشخصه ذرات فراتر رود.
پروفسور یونگ لین کنگ، نویسنده مقاله، به Tech Xplore گفت: «طول الاستوکاپیلاری مقیاس طولی است که در آن تنش سطحی نسبت به تنش های الاستیک حجیم مهم می شود.به عنوان مثال، وقتی ذره ای با اندازه کوچکتر از طول الاستوکاپیلاری (به عنوان مثال، یک بستر بسیار نرم) روی سطح باقی می ماند، تنش سطحی زیرلایه می تواند غالب شود، به طوری که از نظر انرژی برای ذره مطلوب می شود. توسط خود بستر جامد “زیر” جمع شود.این پدیده به خودی خود جدید نیست و قبلاً توسط دیگران در جامعه فیزیک ماده نرم مورد مطالعه قرار گرفته است، از جمله به عنوان بخشی از کار زیبای پروفسور اریک دوفرن در دانشگاه کرنل. با این حال، کار قبلی در مورد غرق شدن ذرات با چند ذره مطالعه کرده است. تاکنون برای ساخت وسایل الکترونیکی استفاده نشده است.”
در حالی که آنها در تلاش برای ایجاد یک حسگر کرنش نرم موثر بودند، محققان دریافتند که رویکردهای موجود برای پراکندگی ذرات CNT در محلول‌های پلیمری، پلیمرهای رسانا مورد نیاز برای سنسورهای کششی با کارایی بالا را تولید نمی‌کنند. با این حال، به طور تصادفی، آنها مزایای استفاده از نفوذ ذرات را برای ایجاد این پلیمرهای رسانا برای الکترونیک قابل کشش کشف کردند.
Rongzhou Lin، نویسنده اول مقاله، به Tech Xplore گفت: «روش‌های مرسوم برای ایجاد حسگرهای کرنش با استفاده از نانولوله‌های کربنی (CNT) معمولاً شامل پراکندگی نانولوله‌های کربنی در یک پیش‌ساز پلیمری با استفاده از حلال‌ها است.
“با این حال، ما در تولید کامپوزیت های رسانا با استفاده از این روش با چالش هایی مواجه شدیم. به طور غیر منتظره، ما متوجه شدیم که استفاده از CNT های لاستیکی بر روی سیلیکون پخته شده منجر به تشکیل آسان کامپوزیت های رسانا می شود.”
هنگامی که آنها این پدیده را بیشتر بررسی کردند، محققان دریافتند که نانومواد می توانند به طور خود به خودی خود را از طریق پدیده غرق شدن ذرات در ماتریس پلیمری جاسازی کنند. آنها سپس این رویکرد را با یک مجموعه چاپ، با استفاده از یک ماسک شابلون برای کنترل نواحی در معرض، ادغام کردند، که مشخص شد با موفقیت طیف وسیعی از ذرات عملکردی را در پلیمرهای نرم ترکیب می‌کند.
برای نشان دادن پتانسیل روش پیشنهادی خود، تیم از آن برای ایجاد الکترونیک الاستیک با لایه‌های متعدد که مواد مختلف را در خود جای داده است، استفاده کرد. دستگاه‌هایی که آنها ساخته‌اند می‌توانند برای کاربردهای مختلف در دنیای واقعی مناسب باشند، زیرا مشخص شد که دارای قابلیت‌های سنجش بی‌سیم، ارتباطات و انتقال نیرو هستند.
لین می‌گوید: «تا جایی که ما می‌دانیم، این اولین استفاده موفقیت‌آمیز از غرق ذرات برای ساخت وسایل الکترونیکی نرم بود.
این مطالعه علاوه بر نشان دادن امکان استفاده از غرق ذرات برای توسعه الکترونیک در سطح سیستم با ویژگی‌های بافت مانند، فرصت‌های جدیدی را برای تحقیقات فیزیک ماده نرم باز می‌کند. مطالعات آینده می تواند از روش های به کار گرفته شده توسط این تیم برای مطالعه بیشتر زیربنای فیزیک استفاده کند.
کنگ افزود: «از آنجایی که این اولین مطالعه تجربی در مورد غرق شدن غلظت‌های بالای ذرات است، داده‌های تجربی ما به طور بالقوه می‌توانند بینش‌های فیزیکی جدیدی را که قبلاً کاوش نشده‌اند، آشکار کند.مشاهدات جذاب ما سؤالات جدیدی را در فیزیک ماده نرم باز می کند، مانند غرق شدن چند لایه ذرات که می تواند الهام بخش برنامه های آینده باشد.»
از آنجایی که استراتژی جدید ابداع شده توسط محققان مقیاس پذیر و قابل اعتماد است، به زودی می تواند توسط تیم های دیگر نیز استفاده شود و به پیشرفت بیشتر صنعت الکترونیک کمک کند.
در آینده، می‌توان از آن برای ساخت طیف وسیع‌تری از لوازم الکترونیکی، از جمله پوسته‌های الکترونیکی برای روبات‌ها و حسگرهای قابل کشش برای دستگاه‌های پوشیدنی استفاده کرد.
