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Jun 01, 2023

Flüssig

Ein Team in Korea hat Schallwellen verwendet, um winzige Tröpfchen flüssiger Metalle in einem Polymergehäuse zu verbinden. Die neuartige Technik ist eine Möglichkeit, robuste, hochleitfähige Schaltkreise herzustellen, die sich biegen und biegen lassen

Ein Team in Korea hat Schallwellen verwendet, um winzige Tröpfchen flüssiger Metalle in einem Polymergehäuse zu verbinden. Mit der neuartigen Technik können robuste, hochleitfähige Schaltkreise hergestellt werden, die auf das Fünffache ihrer ursprünglichen Größe gebogen und gedehnt werden können.

Die Herstellung dehnbarer Elektronik für hautbasierte Sensoren und implantierbare medizinische Geräte erfordert Materialien, die wie Metalle Elektrizität leiten können, sich aber wie Gummi verformen. Herkömmliche Metalle sind für diesen Einsatz nicht geeignet. Um elastische Leiter herzustellen, haben sich Forscher mit leitfähigen Polymeren und Verbundwerkstoffen aus Metallen und Polymeren befasst. Allerdings verlieren diese Materialien nach mehrmaliger Dehnung und Entspannung ihre Leitfähigkeit.

Eine vielversprechendere Option sind Flüssigmetalle, also Legierungen, die bei Raumtemperatur flüssig bleiben. Flüssige Metalle auf Galliumbasis, typischerweise Legierungen aus Gallium und Indium, haben aufgrund ihrer geringen Toxizität und hohen elektrischen und Wärmeleitfähigkeit die größte Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Sie sind außerdem robust, da sich auf ihrer Oberfläche eine Oxidhaut bildet, und haften gut auf verschiedenen Untergründen.

Um leitfähige Schaltkreise mit flüssigen Metallen auf Galliumbasis herzustellen, sprühen oder drucken Forscher typischerweise Tröpfchen des Materials auf ein dehnbares Kunststoffsubstrat oder betten sie in ein gummiartiges Polymer ein. Die Oxidhaut muss typischerweise aufgebrochen werden, damit sich die Tröpfchen zu einem leitenden Pfad verbinden können. Das Problem bei diesen Ansätzen besteht darin, dass die flüssigen Metalle nach einer Weile austreten können, sagt Jiheong Kang, Professor für Materialwissenschaften und -technik am Korea Advanced Institute of Science and Technology.

Deshalb nutzten er und seine Kollegen ein akustisches Feld, um flüssige Metalltröpfchen zu verbinden, die sie zuvor in ein Polymer eingebettet hatten. Die Forscher verwenden Tröpfchen, die im Durchschnitt 2 bis 3 Mikrometer breit sind und damit kleiner sind als die, die andere zuvor verwendet haben, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass die Tröpfchen zerbrechen und das flüssige Metall austritt.

Wenn sie Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 20 Kilohertz anwenden, absorbieren die Mikrotröpfchen die Vibrationen und erzeugen nanometergroße Tröpfchen. Diese Nanotröpfchen bilden eine Brücke zwischen den Mikrotröpfchen. Wenn das Polymer gedehnt wird, verlängern sich die Mikrotröpfchen, aber die Nanotröpfchenverbindungen halten sie verbunden.

Andere haben zuvor dehnbare Schaltkreise hergestellt, indem sie ultradünne Metallschichten in netzartigen Netzwerken oder Schlangenmustern abgeschieden haben. „Mit unserem neuen Material haben wir die ersten elastischen Leiterplatten ohne jegliche Strukturtechnik demonstriert“, sagt Kang.

Das Team stellte seine dehnbaren Leiter aus vier verschiedenen Flüssigmetalllegierungen und 15 verschiedenen Polymeren her. Um die Verwendung der Leiter zu demonstrieren, stellten sie dehnbare Displays her, in denen die Flüssigmetallnetzwerke Mikro-Leuchtdioden miteinander verbanden [oben]. Sie stellten außerdem einen äußerst dehnbaren Herzfrequenz-Überwachungssensor her, der an der Haut eines Freiwilligen angebracht werden konnte und die Blutzirkulation mithilfe von Licht messen konnte [unten]. Die Ergebnisse erscheinen in der Fachzeitschrift Science.

Die von den Autoren entwickelte Stretchy-Circuit-Methode „hilft, eine große Herausforderung bei der Herstellung leitfähiger Schaltkreise mit [Gallium-Flüssigmetall]-Polymer-Verbundwerkstoffen zu meistern“, schreiben Ruirui Qiao von der University of Queensland in Australien und Shiyang Tang von der University of Birmingham. Vereinigtes Königreich, in einem begleitenden perspektivischen Beitrag zum Science-Artikel. „Aber die Verbundwerkstoffe stehen noch vor einer Reihe von Herausforderungen bei der Herstellung.“ Beispielsweise ist es mit bekannten Techniken zu ihrer Herstellung schwierig, die Größe von Tröpfchen genau zu steuern.

Kang sagt, dass er und seine Kollegen daran arbeiten wollen, die Auflösung des Musters zu verbessern, indem sie Wege finden, sie näher beieinander anzuordnen. Sie planen außerdem, die Leitfähigkeit der Flüssigmetallkreisläufe weiter zu erhöhen.