Жидкий металл и силикон превратили в нетоксичную гибкую электронику

L. Tang et al./ iScience, 2018
Китайские химики разработали технологию получения гибких и сильно растяжимых электронных устройств на основе жидкого галлия, заключенного в силиконовую матрицу. Эти устройства не содержат токсичных компонентов, могут растягиваться более чем в 6 раз и не теряют своих свойств после нескольких тысяч циклов деформаций, пишут ученые в iScience.
Одна из проблем упругих и гибких электронных устройств — наличие в них токсичных материалов. Поскольку значительная часть приложений для гибкой электроники так или иначе подразумевает контакт с телом человека (это могут быть, например, носимые устройства или нательные датчики), то присутствие компонентов, которые могут плохо отразиться на здоровье, в них крайне нежелательно. Кроме того, у этих устройств есть и ряд других недостатков: большинство технологий их получения довольно дороги, а кроме того, часто эти устройства, хоть и способны гнуться и растягиваться, после нескольких циклов деформации работать перестают.
Китайские исследователи под руководством Синъюя Цзяна (Xingyu Jiang) из Национального центра нанонаук и технологий разработали подход, который часть этих проблем способен решить. Для этого при создании гибкого электронного устройства ученые использовали следующую технологию. Сначала на твердую подложку наносились двумерные структуры в форме будущей электронной схемы из частиц жидкого галлия, покрытых твердой оксидной оболочкой. После этого эти частицы сверху заливались жидким полидиметилсилоксаном, который при термической обработке превращался в упругий прозрачный силикон. После этого такую структуру отрывали от подложки, в процессе чего оксидная оболочка частиц разрушалась и галлий формировал сплошную проводящую фазу из жидкого металла.
Что касается механических свойств этих пленок, то такие устройства можно растягивать более чем в 6 раз без потери проводящих свойств. Кроме того, проводящие детали не теряют своих свойств при циклически деформациях (после 10 тысяч циклов растяжения и сжатия сопротивление цепи меняется не более чем на 3 процента).
Чтобы показать, что такой подход действительно можно использовать для получения реальных устройств, ученые создали с помощью него несколько устройств. Сначала авторы работы получили растягивающееся и гибкое устройство, которое питает систему небольших фотодиодов. Полученную пленку можно было прямо во включенном состоянии спокойно растягивать в несколько раз и практически любым образом изгибать. Никакие контакты при этом не повреждались и светодиоды продолжали гореть.
Кроме того, ученые предложили аналогичным образом создавать устройства, которые используются в качестве датчиков движений или могут превращать перчатку в «носимую клавиатуру». На каждом пальце перчатки в таком устройстве закрепляется датчик изгиба, и анализ сигналов, полученных с каждого из этих датчиков можно использовать для набора текста. Например, авторы работы смогли с помощью таких перчаток написать фразу «HELLO WORLD». Кроме того, были проведены и тестовые испытания таких устройств в медицинских исследованиях: для электроимпульсного открытия клеточных пор.
Использование частиц, состоящих их жидкого металла, покрытых твердой оксидной пленкой используются учеными для создания проводящих материалов далеко не в первый раз. Например, недавно американские инженеры применили аналогичный подход для создания материала, который при изгибе в несколько раз увеличивает свою жесткость. Однако в этом случае использовался не просто жидкий металл, а переохлажденный сплав, поэтому при разрушении оксидной оболочки происходила кристаллизация и формировалась не жидкая проводящая фаза, а твердая.
Александр Дубов