Жидкий металл и силикон превратили в нетоксичную гибкую электронику

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.

В результате такого подхода образуется плоское прозрачное устройство с электрической схемой внутри него. Проводимость участков из жидкого металла в этом устройстве достигает 2316 сименсов на сантиметр, при этом его можно подключать к источнику питания, а внутрь — встраивать различные датчики или светодиодные элементы. Минимальная толщина элементов устройства составляет около 15 микрометров. По всем этим параметрам полученные структуры не уступают современным прототипам других электронных устройств, при этом они полностью состоят из нетоксичных элементов.

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.

Авторы работы отмечают, что предложенный ими метод можно использовать не только с эластомерами (такими как полидиметилсилоксан), но и другими типами полимеров, которые могут расширить область применения устройств. Такой подход позволяет значительно снизить стоимость технологий, использующих жидкометаллические проводящие элементы в гибких электронных устройствах, а отсутствие в них токсичных деталей делает эти устройства применимыми для очень широкого диапазона различных целей, связанных с биомедицинским анализом.

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