W niedalekiej przyszłości elektronika monitorująca zdrowie będzie mogła się stać elementem ubioru. Nadrukowana na tkaninach i miękkich tworzywach zintegruje się z każdym obszarem życia. Do tej pory barierą trudną do pokonania była kruchość materiałów przewodzących. Nie wytrzymywały rozciągania i nadmiernych nacisków.
Naukowcy z Graduate School of Engineering na Uniwersytecie w Tokio opracowali elastyczny przewodzący materiał zachowujący wysoką przewodność nawet wtedy, gdy jest pięciokrotnie rozciągany. Nowy materiał, o konsystencji pasty, może być nadrukowany w postaci wzorów na tkaninach i powierzchniach gumowych, takich jak rozciągliwe okablowanie urządzeń zawierających czujniki.
Odkrycie inspiruje do rozwoju jeszcze innej gałęzi elektroniki – można będzie stworzyć powłokę naśladującą funkcje ludzkiej skóry. To otwiera nowe możliwości dla robotyki w zakresie nie tylko funkcjonalności, ale i wyglądu.
Potrzeba monitorowania zdrowia jest coraz większa. Obecnie opracowywane są urządzenia do kontroli kondycji fizycznej człowieka, takich parametrów, jak tętno czy aktywność mięśni. Wiele z tych potrzeb rynek już zaspokaja. Teraz nastąpił milowy krok naprzód, ponieważ mamy do dyspozycji materiał odporny na duże obciążenia, rozciąganie i różnicę temperatur. – Obserwowaliśmy rosnące zapotrzebowanie na urządzenia, które można nosić na ubraniach – mówi prof. Takao Someya nadzorujący badania. – Czuliśmy, że bardzo ważne jest stworzenie elastycznych przewodników, które można drukować na tkaninach, by pomogły zaspokoić tę potrzebę i umożliwić dalszy rozwój nowych produktów.
Srebro i kauczuk
Aby osiągnąć wysoki stopień rozciągliwości i przewodnictwa, naukowcy zmieszali cztery składniki. Ich przewodząca pasta składa się z nanodrobinek srebra, kauczuku fluorowego, surfaktantu fluorowego, powszechnie znanego jako substancja zmniejszająca naprężenie powierzchniowe w cieczy, i rozpuszczalnika organicznego. Jest to znacznie ulepszona kompozycja w stosunku do wcześniejszych prób wykonanych w 2015 r.
Bez rozciągania nadrukowane ślady nowego przewodnika zarejestrowały 4,972 simensa na centymetr (S/cm). Po dwu- i trzykrotnym rozciągnięciu przewodność wynosi 1,070 S/cm, jest więc prawie sześciokrotnie większa od wartości rejestrowanej w poprzednim przewodzie (192 S/cm). Nawet przy cztero- i pięciokrotnym rozciąganiu nowy materiał zachował przewodność elektryczną na poziomie 935 S/cm.
Pastę podgrzewano i obserwowano przez mikroskopy elektronowe: skaningowy (SEM) i transmisyjny (TEM). Okazało się, że wysoka wydajność przewodnika wynika z samorozwoju nanocząsteczek srebra rozproszonych równomiernie w kauczuku fluorowym. Naukowcy byli zaskoczeni. Nie spodziewali się, że srebro będzie samo przekształcać się w nanocząsteczki. Okazało się również, że dostosowując zmienne, takie jak ciężar cząsteczkowy kauczuku fluorowego, można kontrolować rozmieszczenie i ilość tych drobinek. Natomiast na ich przyrost i wielkość ma wpływ ogrzewanie oraz obecność środka powierzchniowo czynnego.
Testy użyteczności
Branża, która napędza polską gospodarkę
Po stworzeniu materiału i zbadaniu jego właściwości przyszedł czas na sprawdzenie, czy rzeczywiście naukowcy wynaleźli materiał, który może zrewolucjonizować elektronikę. Stworzyli w pełni funkcjonalne nadrukowane na tkaninie czujniki ciśnienia i temperatury, które mogą dokonać pomiarów w pobliżu ludzkiego ciała i w pomieszczeniach. Można je łatwo zainstalować przez laminowanie, prasowanie na gorąco i pod ciśnieniem. Okazało się, że czujniki wykonały precyzyjne pomiary, nawet gdy zostały rozciągnięte o 250 proc.
Teraz wystarczy przystosować elektronikę do elastycznych obszarów narażonych na wysokie naprężenia – na przykład łokcie i kolana. Robotyka również czeka na takie rozwiązania, aby przewyższyć ludzkie możliwości i jednocześnie zachować elastyczność i lekkość naturalnego ciała.
Nowy materiał nadaje się już do drukowania na dużą skalę. Zespół obecnie bada substytuty płatków srebra i poszukuje innych polimerów w celu dalszego obniżenia kosztów produkcji elastycznych przewodów o wysokiej wydajności.
