Как ожидается, для создания таких устройств требуются компоненты, которые являются мягкими и растяжимыми, чтобы быть механически совместимыми с кожей человека. Одним из жизненно важных компонентов электроники кожи является внутренне растяжимый проводник, который передает электрические сигналы между устройствами.
Для надежной работы и высокого качества требуется растяжимый проводник, который отличается ультратонкой толщиной, проводимостью, подобной металлу, высокой растяжимостью и простотой изготовления. Несмотря на обширные исследования, до сих пор не удалось разработать материал, обладающий всеми этими свойствами одновременно, из-за того, что они часто имеют компромиссы между собой.
Под руководством профессора ХЕН Тхэхвана и КИМ Дэ Хена исследователи из Центра исследований наночастиц Института фундаментальных наук (IBS) в Сеуле, Южная Корея, представили новый метод изготовления композитного материала в форме наномембраны, который обладает всеми вышеупомянутыми свойствами. Новый композитный материал состоит из металлических нанопроводов, которые плотно упакованы в монослой внутри ультратонкой резиновой пленки.
Этот новый материал был изготовлен с использованием процесса, который команда разработала под названием «метод сборки с поплавком». Поплавковая сборка использует эффект Марангони, который возникает в двух жидких фазах с различным поверхностным натяжением. При наличии градиента поверхностного натяжения поток Марангони генерируется от области с более низким поверхностным натяжением в сторону области с более высоким поверхностным натяжением. Это означает, что падение жидкости с более низким поверхностным натяжением на поверхность воды локально снижает поверхностное натяжение, и возникающий поток Марангони заставляет упавшую жидкость тонко растекаться по поверхности воды.
Фаза толуол-каучука остается над водой из-за своего гидрофобного свойства, в то время как нанопроволоки оказываются на границе между водной и толуольной фазами. Этанол в растворе смешивается с водой для снижения локального поверхностного натяжения, что создает поток Марангони, который распространяется наружу и предотвращает агрегацию нанопроводов.Наномембрана создается с использованием метода поплавковой сборки, который состоит из трехэтапного процесса. Первый шаг включает в себя нанесение композитного раствора, представляющего собой смесь металлических нанопроводов, резины, растворенной в толуоле, и этанола, на поверхность воды.
Это собирает наноматериалы в монослой на границе раздела воды и очень тонкой пленки резины/растворителя. На втором этапе поверхностно-активное вещество сбрасывается для создания второй волны потока Марангони, которая плотно уплотняет нанопроволоки. Наконец, на третьем этапе толуол испаряется и получается наномембрана с уникальной структурой, в которой сильно уплотненный монослой нанопроводов частично встроен в ультратонкую резиновую пленку.
Его уникальная структура обеспечивает эффективное распределение деформации в ультратонкой резиновой пленке, что приводит к отличным физическим свойствам, таким как растяжимость более 1000% и толщина всего 250 нм. Структура также позволяет выполнять холодную сварку и двухслойную укладку наномембраны друг на друга, что приводит к проводимости металла более 100 000 С/см.
Кроме того, исследователи продемонстрировали, что наномембрану можно создать с помощью фотолитографии, которая является ключевой технологией, широко используемой для производства коммерческих полупроводниковых устройств и передовой электроники. Поэтому ожидается, что наномембрана может послужить новым материалом платформы для кожной электроники.