Unijne badania naukowe posuwają rozciągalną elektronikę o krok naprzód
Naukowcy z Francji i USA, których badania finansowane są ze środków unijnych, pracujący nad naklejkami odlepiającymi się od szyb, wynaleźli nowy sposób sterowania produkcją rozciągalnych elementów elektronicznych. Wyniki ich prac, opublikowane w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences, mają znaczenie dla opracowania elektronicznych urządzeń wbudowanych w takie przedmioty jak rękawiczki chirurgiczne, elastyczne wyświetlacze czy papier elektroniczny. Prace prowadzone były w ramach projektu MECHPLANT (Rola niestabilności mechanicznej w rozwoju liścia), sfinansowanego na kwotę 1,3 mln EUR z tematu "Nowe i pojawiające się nauki i technologie" Szóstego Programu Ramowego (6PR). Partnerzy tego projektu badali formowanie się liścia podczas rozwoju w celu lepszego poznania wzajemnych zależności pomiędzy właściwościami genetycznymi rośliny a niestabilnością mechaniczną. W swoich ostatnich badaniach zespół analizował sposób, w jaki naklejki przyklejone do szkła marszczą się, pokrywają pęcherzykami i rozwarstwiają się. Na przykład często można zobaczyć pęcherzyki powietrza między naklejką a szybą samochodową - zwykle ich przyczyną jest rozciągnięcie się naklejki pod wpływem wysokich temperatur. Bywa też tak, że siła oddziałująca na naklejkę powoduje jej wygięcie się do tego stopnia, iż jedna z warstw odrywa się, tworząc bąble. "To rzecz, z którą mamy do czynienia na co dzień, ale kiedy spojrzeć na nią w inny sposób, można zobaczyć coś nowego" - mówi członek zespołu badawczego Pedro Reis z Massachusetts Institute of Technology w USA. Według autorów włożono już sporo wysiłku w wynalezienie sposobu na uniknięcie wypaczania, marszczenia i rozwarstwiania się cienkich powłok. W najnowszych badaniach sprawdzano te właściwości po sprasowaniu w celu opracowania elastycznych urządzeń elektronicznych. "Głównym problemem technologicznym, który ogranicza zastosowanie tego typu urządzeń jest potrzeba posiadania podłoża, które jest w stanie wyginać się bez rozciągania i uszkadzania przewodów, z których zbudowany jest obwód" - wyjaśniają. "Jednym z rozwiązań jest użycie podłoża polimerowego, które jest najpierw naciągane a potem pokrywane przewodami według żądanego schematu" - czytamy w artykule. Kiedy naprężenie podłoża jest zwolnione, stosunkowo sztywne przewody wyginają się, co prowadzi do "niestabilności marszczącej" a następnie do powstawania pęcherzyków rozwarstwiających. Pęcherzyki ułatwiają podłożu wyginanie się, ponieważ przewody mogą się zginać zamiast naciągać. Naukowcy naciągali i prasowali powierzchnie z przyczepionymi do nich cienkimi warstwami, po czym mierzyli rozmiary powstających pęcherzyków. Konkretnie przyczepili warstwę polipropylenową do miękkiego podłoża, które było albo cienkie (naciągnięte przed sklejeniem warstw) albo grubsze (nienaciągnięte). Następnie sprasowano obydwa rodzaje podłoża, tj. cienkie i grube. Najpierw pojawił się jeden pęcherzyk, a po dalszym prasowaniu pokazała się cała grupa niemal identycznych pęcherzyków. Scharakteryzowano wówczas wymiary pierwszego pęcherza i dalszą ewolucję następnych. Na podstawie otrzymanych wyników naukowcy opracowali model formowania się, zmieniania rozmiarów i ewoluowania pęcherzy rozwarstwiających. Jak stwierdzili, ich rozmiar zależny jest od elastyczności warstwy, od podłoża oraz wytrzymałości klejenia pomiędzy nimi. Nowy model jest w stanie prawidłowo przewidzieć rozmiar pęcherzy, jakie utworzą się w określonych warunkach. "Pęcherze rozwarstwiające posiadają swój charakterystyczny rozmiar, do którego dążą" - twierdzi Dominic Vella z francuskiego Centre National de la Recherche Scientifique. "Scharakteryzowaliśmy ten rozmiar, a więc zasadniczo możemy określić go tylko na podstawie parametrów danego układu." Celowe tworzenie pęcherzy rozwarstwiających może znacznie uprościć projektowanie elastycznych urządzeń - stwierdził zespół - ponieważ przewody przyczepione do powierzchni mogą poruszać się wraz z materiałem bez łamania się. Jeżeli przewody są już oddzielone od powierzchni - przekonują naukowcy - wyginanie i skręcanie materiału nie spowoduje ich złamania. Naukowcy sugerują także, iż ultracienkie i bardzo wytrzymałe warstwy np. z grafenu "mogą być idealnym materiałem do zastosowań w giętkich obwodach na małą skalę, wykorzystujących struktury rozwarstwiające". W poprzednich pracach stosowano skomplikowane techniki mikroprodukcyjne w celu wymuszenia pojawienia się pęcherzy. Nowy model oferuje inżynierom możliwość bardziej precyzyjnego kontrolowania rozwarstwiania i może znacznie ułatwić opracowanie rozciągalnych elementów elektronicznych z wykorzystaniem pęcherzyków w materiale.
Kraje
Francja, Stany Zjednoczone