Das Zappen flüssiger Metalltröpfchen mit Ultraschall bietet eine neue Möglichkeit, Kabel für dehnbare, biegsame Elektronik herzustellen.
Die Technik, beschrieben in der Nov. 11 Wissenschafterweitert die Toolbox um einen neuen Ansatz für Forscher, die Schaltkreise für medizinische Sensoren entwickeln, die an der Haut angebracht werden, tragbare Elektronik und andere Anwendungen, bei denen starre Schaltkreiselektronik nicht ideal ist (SN: 01.06.18).
Die Forscher begannen damit, auf dehnbare Kunststoffplatten Linien aus mikroskopisch kleinen Tröpfchen zu zeichnen, die aus einer Legierung aus Gallium und Indium bestanden. Die Metalllegierung ist bei Temperaturen über etwa 16° Celsius flüssig.
Obwohl das flüssige Metall elektrisch leitfähig ist, oxidieren die Tröpfchen schnell. Dieser Prozess bedeckt jeden von ihnen mit einer dünnen Isolierschicht. Die Schichten tragen statische Ladungen, die die Tropfen auseinanderdrücken, wodurch sie für die Verbindung von LEDs, Mikrochips und anderen Komponenten in elektronischen Schaltungen unbrauchbar werden.
Indem sie die Mikrokugeln mit hochfrequenten Schallwellen trafen, bewirkten die Forscher, dass die mikroskopisch kleinen Kugeln noch kleinere, nanoskopische Kugeln aus flüssigem Metall vergossen. Die winzigen Kugeln überbrücken die Lücken zwischen den größeren, und dieser enge Kontakt ermöglicht es Elektronen, durch die Oxidschichten zu tunneln, sodass die Tröpfchen Strom transportieren können.
Wenn der Kunststoff, auf den die Tropfen gedruckt sind, gedehnt oder gebogen wird, können sich die größeren Metallkugeln verformen, während die kleineren wie starre Partikel wirken, die sich verschieben, um den Kontakt aufrechtzuerhalten.
Die Forscher demonstrierten ihre Leiter, indem sie Elektronik in ein dehnbares Muster von LEDs verbanden, das die Initialen des Dynamic Materials Design Laboratory zeigte, in dem die Arbeit durchgeführt wurde. Das Team baute auch einen Sensor mit den Leitern, der Blut durch die Haut einer Person überwachen kann (SN: 17.02.18).
Flexible Elektronikanwendungen sind nicht neu, sagt der Materialwissenschaftler Jiheong Kang vom Korea Advanced Institute of Science and Technology in Daejeon, Südkorea. Aber es gibt Vorteile des neuen Ansatzes gegenüber anderen Designs, sagt er, wie zum Beispiel solche, die auf Kanälen beruhen, die mit flüssigem Metall gefüllt sind, das auslaufen kann, wenn die Schaltung beschädigt wird. Flüssiges Metall in den von Kang und Kollegen entwickelten Leitern bleibt in den winzigen Kügelchen eingeschlossen, die in den Kunststoff eingebettet sind, und bleibt an Ort und Stelle, selbst wenn das Material reißt.
Drähte aus flüssigem Metall waren oft die idealen Leiter für dehnbare Elektronik, sagt Carmel Majidi, ein Forscher im Maschinenbau an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh, der nicht an der neuen Studie beteiligt war. Die Verwendung von Ultraschall führt zu einem „neuartigen Ansatz, um diese Leitfähigkeit zu erreichen“. Andere Gruppen haben dieses Kunststück geschafft, indem sie Schaltkreise erhitzten, sie Lasern aussetzten, sie zerquetschten oder die Schaltkreise vibrieren ließen, um Tröpfchen dazu zu bringen, sich miteinander zu verbinden, sagt er.
Majidi ist nicht davon überzeugt, dass der Ultraschall-Ansatz eine Wende für flexible Schaltungen bringt. Aber er sagt, dass es höchste Zeit ist, dass das Thema in einer führenden Zeitschrift wie erscheint Wissenschaft. „Ich persönlich freue mich sehr, das Feld insgesamt zu sehen, und diese besondere Art der Materialarchitektur gewinnt jetzt diese Sichtbarkeit.“