211service.com
Kapslar för självläkande kretsar
Att tappa en mobiltelefon eller bärbar dator kan naturligtvis orsaka irreparabel skada. Nu utvecklar forskare ett material som kan låta en krets självreparera små men kritiska skador som orsakats av en sådan påverkan.
Elektriskt plåster: Polymerkapslar fyllda med kolnanorör kan återställa ledningsförmågan till elektriska kretsar när de rivs upp. Nanorörssuspensionen inuti kapslarna är synlig i ljusmikroskopbilden ovan; bilden nedan, från ett svepelektronmikroskop, visar ytan på polymerkapslarna.
Kapslar, fyllda med ledande nanorör, som spricker upp under mekanisk påfrestning kan placeras på kretskort i felbenägna områden. När stress orsakar en spricka i kretsen, skulle några av kapslarna också brista och släppa nanorör för att överbrygga brottet. Forskarna, från University of Illinois i Urbana-Champaign, arbetar också med kapseltillsatser utformade för att läka fel i litiumjonbatteriets elektroder, för att förhindra kortslutning som ibland kan orsaka brand.
Tidigare forskning om självläkande material har mest fokuserat på att återställa mekaniska egenskaper efter en skadlig händelse. University of Illinois-forskare har till exempel redan gjort självläkande beläggningar som kan reparera repor och förhindra korrosion på båtar eller bilchassier. Nu har gruppen tagit samma teknik till problemet med att återställa elektroniska egenskaper.
Vi vill ta itu med vanliga fel i mobiltelefoner och annan bärbar elektronik, säger Paul Braun , en professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid University of Illinois som leder forskningsprojektet med Jeffrey Moore , professor i kemi, materialvetenskap och teknik. Dessa fel kan bli ett ännu större problem eftersom flexibel elektronik, som utsätts för mycket mer mekanisk påfrestning, blir utbredd, säger Braun.
För att göra sitt självläkande material kapslade Braun och Moore in kolnanorör inuti polymersfärer med en diameter på cirka 200 mikrometer vardera. De valde kolnanorör på grund av deras höga elektriska ledningsförmåga och för att deras långsträckta form gör ett bra jobb med att överbrygga luckor.
I proof-of-concept-studier slet forskarna isär kapslarna och placerade den resulterande blandningen mellan spetsarna på två elektriska sonder. De frigjorda nanorören bildade en bro som fullbordade kretsen mellan de två sonderna. Även om polymeren i sig inte är ledande, hindrade detta inte strömflödet - det fanns en positiv nettoökning i konduktiviteten efter brottet. Detaljer om experimenten publicerades förra veckan i Journal of Materials Chemistry .
Restaureringen av elektroniska egenskaper är fantastisk, säger Christopher Bielawski , docent i kemi vid University of Texas i Austin, som också utvecklar självläkande elektroniska material.
Många gånger när en enhet misslyckas beror det på att en krets eller kondensator brinner ut, säger Bielawski. Detta är avgörande i situationer där du inte kan reparera det - i satelliter eller ubåtar. För att komma till rätta med problemet bygger ingenjörer för närvarande in redundans i ett system. Självläkande kretsar kan göra enheter för fjärrtillämpningar lättare, effektivare och billigare, säger Bielawski.
Mark Hersam , professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid Northwestern University i Evanston, IL, ser också potential för materialen att användas i batterier. Litiumjonbatterifel kan vara katastrofala, vilket leder till explosiva bränder som inträffar när korrosion orsakar elektriska kortslutningar, säger Hersam. Förra månaden inledde Hersam ett Department of Energy-sponsrat samarbete med University of Illinois-forskare för att utveckla självläkande material för batterier. Det ska också vara möjligt att välja kapselpolymerer som reagerar på kemiska förändringar som korrosion, säger han.
Naturligtvis vill du inte tynga ner ett batteri med extra grejer, säger Braun. Detsamma gäller för kretskort. Men Braun säger att det inte är nödvändigt att använda stora mängder av kapslarna: Du kan lägga till kapslarna i små mängder eftersom dessa fel tenderar att inträffa på samma punkt i strukturen varje gång.
Forskarna utvecklar för närvarande sätt att exakt positionera sfärerna. Braun säger att gruppen har fått ett papper accepterat som beskriver användningen av en teknik som kallas elektrosprayning för att placera nanorörsbubblorna. Gruppen arbetar också med mer realistiska tester för kapslarna, inklusive brottstudier i ledande material.