Tecnologia Científica

O futuro da eletrônica é elástico
Uma equipe de pesquisadores do laboratório de Yale desenvolveu um processo de material e fabricação que pode tornar esses dispositivos mais elásticos, duráveis ​​e mais próximos de serem pronto para fabricação em massa
Por William Weir - 20/02/2021


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Circuitos eletrônicos extensíveis são essenciais para robótica leve, tecnologias vestíveis e aplicações biomédicas. As formas atuais de fazê-los, porém, limitaram seu potencial.

Uma equipe de pesquisadores do laboratório de Yale de Rebecca Kramer-Bottiglio , a professora assistente John J. Lee de Engenharia Mecânica e Ciência dos Materiais, desenvolveu um processo de material e fabricação que pode tornar esses dispositivos mais elásticos, duráveis ​​e mais próximos de serem pronto para fabricação em massa. Os resultados são publicados na revista Nature Materials. 

Um dos maiores desafios para esta área da eletrônica é conectar condutores elásticos com materiais rígidos usados ​​em componentes eletrônicos disponíveis comercialmente, como resistores, capacitores e diodos emissores de luz (LEDs).

“ O problema é que é difícil conectar algo macio com algo rígido”, disse Shanliangzi Liu, principal autora do artigo e ex-Ph.D. estudante no laboratório de Kramer-Bottiiglio. Quando os materiais extensíveis se dobram e alongam, uma grande força de cisalhamento se desenvolve na interface e frequentemente rasga a conexão para inutilizar o circuito.

Um material conhecido como gálio-índio eutético (eGaIn), que mantém a forma líquida em temperatura ambiente, tem sido usado para conexões em eletrônicos elásticos, mas sua alta tensão superficial impede que ele se conecte adequadamente a componentes rígidos. Várias estratégias têm sido usadas para contornar este problema, mas ao custo de limitar a extensibilidade e durabilidade dos circuitos resultantes. 

O laboratório de Kramer-Bottiglio adotou uma abordagem diferente usando nanopartículas eGaIn para desenvolver um novo material - Ga-In bifásico (bGaIn) - que possui elementos sólidos e líquidos. Quando aquecido a 900 graus C, um filme de nanopartículas de eGaIn muda de forma, desenvolvendo uma fina camada de óxido sólido no topo com uma camada espessa de partículas sólidas incorporadas em eGaIn líquido. Quando retirado, o material é transferido para substratos elásticos, semelhante ao funcionamento das tatuagens temporárias.

Com uma interface robusta entre o bGaIn e componentes eletrônicos rígidos, o resultado é um conjunto de placa de circuito extensível com desempenho tão bom quanto o convencional, mesmo sob altos níveis de tensão. A abordagem abre oportunidades para criar circuitos extensíveis para uma ampla gama de aplicações industriais, incluindo visores macios e roupas inteligentes.

Para demonstrar o processo, a equipe o utilizou para construir uma série de dispositivos, incluindo um circuito amplificador que poderia ser esticado em pelo menos cinco vezes seu comprimento original, uma matriz de LEDs "Yale" extensível e uma placa de circuito de condicionamento de sinal multicamada integrada com um sensor extensível conectado à superfície da manga da camisa de um usuário. Os circuitos também foram aplicados em um balão de látex e “escritos à mão” em uma espuma muito porosa.

“ A chave aqui é que todo o circuito é extensível”, disse o coautor Dylan Shah , um Ph.D. estudante no laboratório de Kramer-Bottiglio. “Os circuitos anteriores usados ​​em robôs leves tinham uma combinação de pequenas áreas que não esticam e, em seguida, áreas esticáveis. Uma vez que nossos circuitos têm um condutor e uma interface que são ambos elásticos, eles são muito mais elásticos e flexíveis. ”

Para este estudo, os pesquisadores usaram a impressão por transferência, que requer uma etapa manual. Liu, que agora é pós-doutorando na Northwestern University, disse que uma das próximas etapas da pesquisa é modificar a tinta bGaIn para capacidade de impressão, de modo que possa ser perfeitamente integrada às linhas de fabricação de circuitos automatizados.

 

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