Механически активируемый жидкий металлический порошок позволяет пользователям рисовать схемы на бумаге. А что если электронные схемы можно было бы создать просто рисованием линий карандашом на бумаге или листьях — а затем сразу применить к мягким роботам или устройствам для мониторинга здоровья, прикреплённым к коже? Корейские исследователи разработали технологию электронных материалов, которая формирует электропроводящий жидкий металл в мелком порошке, что позволяет проводить цепи непосредственно на самых разных поверхностях.
Эта технология открывает новые возможности для гибкой электроники следующего поколения, включая применение на бумаге и пластике, а также в мягких роботизированных системах и носимых устройствах. Исследование было опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
Исследовательская группа под руководством выдающегося профессора Инкю Пак из кафедры машиностроения в сотрудничестве с командой доктора Хе Джин Ким из Института исследований электроники и телекоммуникаций (ETRI) разработала технологию электронных материалов на основе порошка жидких металлов, позволяющую напрямую рисовать электронные схемы на нужных поверхностях.
Как жидкий металл становится пригодным для печати
Материал, на котором сосредоточились исследователи, — это жидкий металл, который течёт как жидкость, но проводит электричество как металл. Однако обычные жидкие металлы обладают очень высоким поверхностным натяжением и плохой смачиваемостью на большинстве поверхностей, что затрудняет создание точных схем в нужных точках. Они склонны легко распространяться или слипаться, требуя дополнительных поверхностных обработок или этапов обработки, ограничивающих практическое применение.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа разработала новый подход, превращающий жидкий металл в мелкие порошковые частицы. Каждая частица состоит из жидкого металла, покрытого тонкой оксидной оболочкой.
В нормальных условиях порошок не проводит электричество. Оксидный слой образуется естественным образом, когда металл реагирует с кислородом в воздухе, образуя очень тонкую защитную пленку. Однако при лёгкой механической стимуляции — например, при нанесении кисти кисточкой или нажатия пальцем — оксидная оболочка ломается, и металлические частицы соединяются друг с другом, обеспечивая электрическую проводимость.
Другими словами, порошок можно нанести на поверхность, и только необходимые участки можно нажать для «активации» электронной цепи, преодолевая трудности с распространением и узорами, характерные для традиционных жидких металлических схем.
Схема рисования практически на любой поверхности
Одной из самых заметных особенностей этой технологии является её универсальность по разным местам и материалам. Без необходимости термической обработки цепи можно создавать мгновенно на поверхностях, таких как бумага, стекло, пластик, текстиль и даже живые листья растений.
Этот метод значительно снижает такие проблемы, как распространение, осаждение и искажение рисунков, которые были распространены в традиционных схемах из жидких металлов, что позволяет стабильно изготовить схемы на различных поверхностях.
Используя эту технологию, исследовательская группа продемонстрировала практические применения, включая встроенные на кожу беспроводные устройства для мониторинга здоровья и гибкие схемы для мягких роботов, способных свободно менять форму. Поскольку точные схемы можно изготовить на многих поверхностях без сложного оборудования, ожидается, что технология найдёт применение в электронных системах следующего поколения, таких как носимые медицинские устройства, мягкая робототехника и гибкая электроника.
Перерабатываемая, долговечная и готовая к будущему электроника
Технология также обладает преимуществами с точки зрения экологической устойчивости. После использования цепи можно растворить в воде и химически обработать (например, гидроксидом натрия, NaOH) для извлечения жидкого металла. Восстановленный металл затем можно превратить обратно в порошок и использовать повторно. Эта возможность делает технологию экологически чистым, способным сократить электронные отходы.
Порошок также демонстрирует стабильные характеристики. По данным исследовательской группы, разработанный порошок сохраняет свою функциональность даже после хранения при комнатной температуре более года и остаётся электрически целостным после десятков тысяч циклов сгибания или скручивания. Эти характеристики делают его подходящим для временных электронных цепей, которые исчезают после использования, а также для настраиваемых электронных устройств.
Выдающийся профессор Инкью Парк заявил: «Эти исследования позволяют создавать электронные схемы так же интуитивно, как рисовать картину, а также использовать материалы по переработке», добавив: «Мы ожидаем, что их применят в различных сферах, включая носимые компьютеры и адаптивные IoT-системы, способные менять форму.»
Информация о публикации
Осман Гул и др., Механохимически активируемые порошки жидких металлов для устойчивой, переконфигурируемой и универсальной электроники, Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202527396
Редактор Сэди Харли, рецензия Роберт Иган
Предоставлено Корейским передовым институтом науки и технологий (KAIST)