211service.com
Capsules voor zelfgenezende circuits
Het laten vallen van een mobiele telefoon of laptop kan natuurlijk onherstelbare schade aanrichten. Nu ontwikkelen onderzoekers een materiaal waarmee een circuit kleine maar kritieke schade veroorzaakt door een dergelijke impact zelf kan repareren.
Elektrische pleister: Polymeercapsules gevuld met koolstofnanobuisjes kunnen de geleidbaarheid van elektrische circuits herstellen wanneer ze worden opengescheurd. De suspensie van nanobuisjes in de capsules is zichtbaar in het bovenstaande lichtmicroscoopbeeld; de afbeelding hieronder, van een scanning-elektronenmicroscoop, toont het oppervlak van de polymeercapsules.
Capsules, gevuld met geleidende nanobuisjes, die onder mechanische belasting openscheuren, kunnen op printplaten in storingsgevoelige gebieden worden geplaatst. Wanneer spanning een scheur in het circuit veroorzaakt, zouden sommige capsules ook scheuren en nanobuisjes vrijgeven om de breuk te overbruggen. De onderzoekers, van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, werken ook aan capsule-additieven die zijn ontworpen om storingen in lithium-ionbatterij-elektroden te genezen, om kortsluiting te voorkomen die soms brand kan veroorzaken.
Eerder onderzoek naar zelfherstellende materialen was vooral gericht op het herstellen van mechanische eigenschappen na een schadelijke gebeurtenis. De onderzoekers van de University of Illinois hebben bijvoorbeeld al zelfherstellende coatings gemaakt die krassen kunnen herstellen en corrosie op boten of autochassis kunnen voorkomen. Nu heeft de groep dezelfde technieken toegepast op het probleem van het herstellen van elektronische eigenschappen.
We willen veelvoorkomende storingen in mobiele telefoons en andere draagbare elektronica aanpakken, zegt Paul Braun , een professor in materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Illinois, die het onderzoeksproject leidt met Jeffrey Moore , een professor in de chemie, materiaalkunde en techniek. Deze storingen kunnen een nog groter probleem worden naarmate flexibele elektronica, die onderhevig is aan veel meer mechanische belasting, wijdverbreid wordt, zegt Braun.
Om hun zelfherstellende materiaal te maken, hebben Braun en Moore koolstofnanobuisjes ingekapseld in polymeerbolletjes met een diameter van elk ongeveer 200 micrometer. Ze kozen voor koolstofnanobuisjes vanwege hun hoge elektrische geleidbaarheid en omdat hun langwerpige vorm goed aansluit bij het overbruggen van gaten.
In proof-of-concept-onderzoeken scheurden de onderzoekers de capsules uit elkaar en plaatsten het resulterende mengsel tussen de uiteinden van twee elektrische sondes. De vrijgekomen nanobuisjes vormden een brug die het circuit tussen de twee sondes voltooide. Hoewel het polymeer zelf niet geleidend is, belemmerde dit de stroomstroom niet - er was een netto positieve toename van de geleidbaarheid na de breuk. Details van de experimenten werden vorige week gepubliceerd in Tijdschrift voor materiaalchemie .
Het herstel van elektronische eigenschappen is fantastisch, zegt Christopher Bielawski , universitair hoofddocent scheikunde aan de Universiteit van Texas in Austin, die ook zelfherstellende elektronische materialen ontwikkelt.
Vaak wanneer een apparaat uitvalt, is dat omdat een circuit of condensator doorbrandt, zegt Bielawski. Dit is van cruciaal belang in situaties waarin u het niet kunt repareren - in satellieten of onderzeeërs. Om het probleem aan te pakken, bouwen technici momenteel redundantie in een systeem in. Zelfherstellende circuits kunnen apparaten voor externe toepassingen lichter, efficiënter en goedkoper maken, zegt Bielawski.
Mark Hersam , hoogleraar materiaalkunde en engineering aan de Northwestern University in Evanston, IL, ziet ook mogelijkheden voor het gebruik van materialen in batterijen. Storingen in lithium-ionbatterijen kunnen catastrofaal zijn, wat kan leiden tot explosieve branden die optreden wanneer corrosie elektrische kortsluitingen veroorzaakt, zegt Hersam. Vorige maand begon Hersam een door het Department of Energy gesponsorde samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Illinois om zelfherstellende materialen voor batterijen te ontwikkelen. Het moet ook mogelijk zijn om capsulepolymeren te selecteren die reageren op chemische veranderingen zoals corrosie, zegt hij.
Natuurlijk wil je een batterij niet belasten met extra spullen, zegt Braun. Hetzelfde geldt voor printplaten. Maar Braun zegt dat het niet nodig is om grote hoeveelheden van de capsules te gebruiken: je zou de capsules in kleine hoeveelheden kunnen toevoegen, omdat deze fouten de neiging hebben om elke keer op hetzelfde punt in de structuur op te treden.
De onderzoekers ontwikkelen momenteel manieren om de bollen precies te positioneren. Braun zegt dat de groep een paper heeft geaccepteerd waarin het gebruik wordt beschreven van een techniek die elektrosprayen wordt genoemd om de bellen van nanobuisjes te plaatsen. De groep werkt ook aan meer realistische tests voor de capsules, waaronder breukstudies in geleidende materialen.