Разработка носимых устройств, таких как устройства для мониторинга здоровья или физической работоспособности человека, таких как частота сердечных сокращений или мышечная активность, в настоящее время ведется, и некоторые продукты уже представлены на рынке. Более того, с появлением роботов в таких областях, как здравоохранение и розничная торговля, помимо производства, в будущем применение чувствительного эластичного проводящего материала, способного выдерживать высокую нагрузку от растяжения, вероятно, будет стремительно расти.«Мы увидели растущий спрос на носимые устройства и роботов», — говорит профессор Такао Сомея из Высшей инженерной школы Токийского университета, который руководил текущим исследованием. «Мы чувствовали, что очень важно создать гибкие проводники с возможностью печати, чтобы удовлетворить потребности и реализовать разработку продуктов», — добавляет он.
Чтобы добиться высокой степени растяжимости и проводимости, исследователи смешали четыре компонента, чтобы создать их эластичный проводник. Они обнаружили, что их проводящая паста, состоящая из чешуек серебра (Ag) микрометрового размера, фторкаучука, фторсодержащего поверхностно-активного вещества, широко известного как вещество, снижающее поверхностное натяжение в жидкости, и органического растворителя для растворения фторкаучука заметно превосходит эластичный проводник. они были ранее разработаны в 2015 году.
На отпечатанных следах нового проводника без растяжения было зафиксировано 4972 сименса на сантиметр (См / см), высокая проводимость с использованием общепринятой меры для оценки электропроводности. При растяжении на 200 процентов, или в три раза больше исходной длины, удельная проводимость составляла 1070 См / см, что почти в шесть раз больше, чем у предыдущего проводника (192 См / см). Даже при растяжении на 400 процентов, или в пять раз превышающую первоначальную длину, новый проводник сохранял высокую проводимость 935 См / см, самый высокий уровень, зарегистрированный для такого количества растяжения.
Увеличение с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) и просвечивающего электронного микроскопа (TEM) показало, что высокие характеристики проводника были обусловлены самообразованием наночастиц серебра (Ag) — одной тысячной размера хлопьев Ag и диспергированных частиц. равномерно между хлопьями фторкаучука — после того, как проводящая композитная паста была напечатана и нагрета. «Мы не ожидали образования наночастиц Ag», — комментирует свое удивительное открытие Someya.Кроме того, ученые обнаружили, что, регулируя такие переменные, как молекулярная масса фторкаучука, они могут контролировать распределение и популяцию наночастиц, в то время как присутствие поверхностно-активного вещества и нагревание ускоряют их образование и влияют на их размер.Чтобы продемонстрировать осуществимость проводников, ученые изготовили полностью напечатанные растягиваемые датчики давления и температуры, которые могут определять слабую силу и измерять тепло вблизи температуры тела и температуры в помещении, соединенные с печатными эластичными проводниками на текстиле. Датчики, которые можно легко установить, наклеивая на поверхности горячим прессованием с помощью тепла и давления, обеспечивают точные измерения даже при растяжении на 250 процентов.
Этого достаточно, чтобы приспособиться к гибким участкам, подвергающимся высоким нагрузкам, таким как локти и колени, на удобной, облегающей спортивной одежде или суставам на роботизированных руках, часто разработанных так, чтобы превосходить человеческие возможности и, таким образом, подвергаться более высокой нагрузке.Новый материал, который является прочным и подходит для методов высокопроизводительной печати, таких как трафаретная или трафаретная печать, которая может покрывать большие площади поверхности, указывает на простоту установки и его свойства по формированию наночастиц Ag (которые составляют лишь часть стоимости хлопьев Ag ) при печати представляют собой экономичную альтернативу для реализации широкого спектра приложений для носимых устройств, робототехники и деформируемых электронных устройств.
В настоящее время команда изучает заменители хлопьев серебра для дальнейшего снижения затрат, а также изучает другие полимеры, такие как нефтористые каучуки, и различные комбинации материалов и процессов для изготовления эластичных проводников с аналогичными высокими характеристиками.