Рідкий метал і силікон перетворили на нетоксичну гнучку електроніку

Китайські хіміки розробили технологію отримання гнучких і сильно розтяжуваних електронних пристроїв на основі рідкого галію, укладеного в силіконову матрицю. Ці пристрої не містять токсичних компонентів, можуть розтягуватися більш ніж у 6 разів і не втрачають своїх властивостей після декількох тисяч циклів деформацій, пишуть вчені в.

Одна з проблем упругих і гнучких електронних пристроїв - наявність у них токсичних матеріалів. Оскільки значна частина додатків для гнучкої електроніки так чи інакше передбачає контакт з тілом людини (це можуть бути, наприклад, носимі пристрої або натільні датчики), то присутність компонентів, які можуть погано відбитися на здоров'ї, в них вкрай небажана. Крім того, у цих пристроїв є і ряд інших недоліків: більшість технологій їх отримання досить дороги, а крім того, часто ці пристрої, хоч і здатні гнутися і розтягуватися, після декількох циклів деформації працювати перестають.

Китайські дослідники під керівництвом Сін'юя Цзяна (Xingyu Jiang) з Національного центру нанонаук і технологій розробили підхід, який частина цих проблем здатний вирішити. Для цього при створенні гнучкого електронного пристрою вчені використовували наступну технологію. Спочатку на тверду підкладку наносилися почесні структури у формі майбутньої електронної схеми з частинок рідкого галію, покритих твердою оксидною оболонкою. Після цього ці частинки зверху заливалися рідким полідіметилсілоксаном, який при термічній обробці перетворювався на пружний прозорий силікон. Після цього таку структуру відривали від підкладки, в процесі чого оксидна оболонка частинок руйнувалася і галій формував суцільну фазу з рідкого металу.

У результаті такого підходу утворюється плоский прозорий пристрій з електричною схемою всередині нього. Провідність ділянок з рідкого металу в цьому пристрої досягає 2316 сименсів на сантиметр, при цьому його можна підключати до джерела живлення, а всередину - вбудовувати різні датчики або світлодіодні елементи. Мінімальна товщина елементів пристрою становить близько 15 мікрометрів. За всіма цими параметрами отримані структури не поступаються сучасним прототипам інших електронних пристроїв, при цьому вони повністю складаються з нетоксичних елементів.

Що стосується механічних властивостей цих плівок, то такі пристрої можна розтягувати більш ніж у 6 разів без втрати провідних властивостей. Крім того, деталі, що проводять, не втрачають своїх властивостей при циклічно деформаціях (після 10 тисяч циклів розтягнення і стиснення опір ланцюга змінюється не більш ніж на 3 відсотка).

Щоб показати, що такий підхід дійсно можна використовувати для отримання реальних пристроїв, вчені створили за допомогою нього кілька пристроїв. Спочатку автори роботи отримали розтягується і гнучкий пристрій, який живить систему невеликих фотодіодів. Отриману плівку можна було прямо у включеному стані спокійно розтягувати в кілька разів і практично будь-яким чином згинати. Жодні контакти при цьому не пошкоджувалися і світлодіоди продовжували горіти.

Крім того, вчені запропонували аналогічним чином створювати пристрої, які використовуються в якості датчиків рухів або можуть перетворювати рукавичку в «носиму клавіатуру». На кожному пальці рукавички в такому пристрої закріплюється датчик вигину, і аналіз сигналів, отриманих з кожного з цих датчиків можна використовувати для набору тексту. Наприклад, автори роботи змогли за допомогою таких рукавичок написати фразу «HELLO WORLD». Крім того, були проведені і тестові випробування таких пристроїв у медичних дослідженнях: для електроімпульсного відкриття клітинних пір.

Автори роботи зазначають, що запропонований ними метод можна використовувати не тільки з еластомерами (такими як полідіметилсілоксан), а й іншими типами полімерів, які можуть розширити область застосування пристроїв. Такий підхід дозволяє значно знизити вартість технологій, що використовують рідкометалічні провідні елементи в гнучких електронних пристроях, а відсутність у них токсичних деталей робить ці пристрої застосовними для дуже широкого діапазону різних цілей, пов'язаних з біомедичним аналізом.

Використання частинок, що складаються рідкого металу, покритих твердою оксидною плівкою використовуються вченими для створення матеріалів далеко не в перший раз. Наприклад, нещодавно американські інженери застосували аналогічний підхід для створення матеріалу, який при вигині в кілька разів збільшує свою жорсткість. Однак у цьому випадку використовувався не просто рідкий метал, а переохолоджений сплав, тому при руйнуванні оксидної оболонки відбувалася кристалізація і формувалася не рідка провідна фаза, а тверда.