Ein Schritt näher an tragbare flexible Elektronik

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Anonim

Ein Schritt näher an tragbare flexible Elektronik


Ein Forscherteam von Penn State unter Leitung von Professor Qing Wang hat das erste Dielektrikum entwickelt, das nach mehreren Unterbrechungen mehrere Funktionen wiederherstellen kann

Flexible Elektronik ist der Begriff für Technologien, die durch Schichten elektronischer Bauteile auf flexiblen Kunststoffen wie Polyetheretherketon entstehen. Wer sich um ein Kabel gebeugt hat, hat wohl das gleiche Problem erkannt, dass alle elektronischen Bauteile haben, sie brechen. Je mehr Sie den Draht biegen und biegen, desto eher funktioniert der Draht nicht.

In den letzten Jahren gab es ein wachsendes Interesse an selbstheilenden, elektrisch leitenden Materialien, insbesondere solchen, die sich selbst reparieren können, nachdem sie Deformation und Faltung erfahren haben. Bis jetzt war der Hauptfokus der Weiterentwicklung der flexiblen Elektronik auf selbstheilende elektrische Leiter gerichtet, da diese tendenziell der Hauptfaktor für die Funktionsfähigkeit von flexiblen Schaltungen waren.

Während dieser Ansatz neuartig ist, hat ein Forschungsteam von Penn State beschlossen, den Fokus der fortschreitenden flexiblen Technologie auf Dielektrika zu verlagern. Die Terminologie hinter Dielektrika bezeichnet typischerweise ein Material mit hoher Polarisierbarkeit, kann jedoch in gewissem Sinne als Synonym für einen Isolator verstanden werden, da sie effektiv als eine Einheit funktionieren können. Das Forschungsteam ist der Ansicht, dass die Weiterentwicklung der selbstreparierenden Elektronik Leiter und Dielektrika gleichzeitig umfassen sollte.

"Es ist richtig, dass wir leitfähige Elemente in allen Arten von Schaltungen benötigen, aber die Tatsache kann nicht ignoriert werden, dass wir auch Schutz und Isolierung für die Mikroelektronik benötigen." -Professor Qing Wang aus Penn State.

Wissenschaftler und Forscher haben bereits Materialien geschaffen, die sich auf natürliche Weise selbst heilen können; Wiederherstellen einiger Funktionen mit geringer bis keiner äußeren Kraft, die auf sie wirkt. Das Problem war jedoch die Fähigkeit, alle Funktionen des Materials wiederherzustellen, sei es ein Dielektrikum, ein Leiter oder eine andere flexible Schaltungskomponente. Diese Materialien müssen in der Lage sein, nach einem Bruch oder einer Verformung alle Funktionen wiederherzustellen, damit sie ordnungsgemäß funktionieren. Nehmen Sie zum Beispiel die Eigenschaften eines Dielektrikums, Überspannungsschutz, Dynamik der Wärmeleitfähigkeit, Spannungskapazitäten, Verlustfaktoren, Widerstand und verschiedene andere, die typischerweise die Parameter von Kondensatoren definieren. Wenn eine dieser Eigenschaften nicht vollständig wiederhergestellt wurde, z. B. Wärmeleitfähigkeit; das Gerät wäre dann der Gefahr einer Überhitzung ausgesetzt und könnte eine wesentliche Komponente zerstören.

Ein flexibler Isolator. Mit freundlicher Genehmigung von Penn State

Der Fokus des Forscherteams lag auf der Verwendung von Bornitrid (BN). Die Verbindung ist hitze- und chemisch resistent und existiert in verschiedenen stabilen Formen, die potentiell in der Nanotechnologie verwendet werden können. Die im Journal Advanced Functional Materials veröffentlichte Studie beschreibt, wie das Forscherteam einen supramolekularen Ansatz nutzte, um ein kräftiges Polymer-Nanokomposit zu entwickeln, das mit atomar dünnen Bornitridschichten verstärkt wurde. Die BN-Schichten sind unter Verwendung von Wasserstoffbindungsgruppen, die mit den externen Schichten funktionalisiert wurden, miteinander verbunden.

Was dieses Material interessant macht, ist, wie es sich selbst repariert, wenn es geschnitten oder verformt wird und wenn die Stücke in unmittelbarer Nähe zueinander platziert werden, wird gleichzeitig eine elektrostatische Kraft an beiden Enden erzeugt. Dies wird die Teile wieder zusammenziehen. Die Wasserstoffbrücke wird dann wiederhergestellt, an diesem Punkt gilt das Material als "selbstheilend". Die Menge an Wärme oder Druck, die erforderlich ist, um diesen Prozess zu verursachen, wird durch das Verhältnis von Bornitridschichten zu dem Polymer bestimmt, je weniger Blätter, desto einfacher wird es für das Material, sich selbst zu reparieren. Bestimmte BN-Strukturen sind in der Lage, den Heilungsprozess bei Raumtemperatur ohne die Verwendung irgendeiner anderen äußeren Kraft abzuschließen. Das Material war in der Lage, sich selbst ohne signifikante Änderungen in den Eigenschaften wiederherzustellen, was ein großes Potential für die Bornitridverbindung bereitstellt. Dies ist auch das erste Mal, dass ein selbstheilendes Material in der Lage war, zahlreiche Eigenschaften wiederherzustellen, nachdem es mehrere Unterbrechungen gegeben hatte, so der leitende Forscher Qing Wang. Im folgenden Video können Sie einen flexiblen Isolator in Aktion sehen.