محققان دانشکده طراحی و مهندسی دانشگاه ملی سنگاپور موفق به توسعه نوعی زیرلایه نرم و کشسان شدهاند که علاوه بر قابلیت خودترمیمی اتصال بسیار محکمی با رساناهای فلزی برقرار میکند و در پایان عمر نیز قابلیت بازیافت یا قالبگیری مجدد دارد.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از تک اکسپلور، این فناوری میتواند دوام حسگرهای پوشیدنی و پوست الکترونیکی را بهطور قابل توجهی افزایش دهد و همزمان با امکان بازیابی قطعات ارزشمند میزان پسماندهای الکترونیکی را کاهش دهد.
حسگرهای نرم حرکت، دما و رطوبت را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل میکنند اما خمشدنهای مکرر، اصطکاک و آسیبهای فیزیکی مانند بریدگی اغلب باعث جدا شدن رساناهای فلزی از زیرلایه پلیمری و از کار افتادن این تجهیزات میشود. علاوه بر این زیرلایههای رایج که از مواد نفتپایه ساخته میشوند به دلیل دشواری در بازیافت آثار زیستمحیطی قابل توجهی دارند.
پژوهشگران به سرپرستی ژای وی، استادیار گروه مهندسی مکانیک دانشگاه ملی سنگاپور ماده جدیدی با نام زیرلایه زیستی ذاتا پویا (Intrinsically Dynamic Biosubstrate - IDBS) طراحی کردهاند که این چالشها را بهصورت همزمان برطرف میکند. نتایج این پژوهش ۱۹ ژوئن ۲۰۲۶ در نشریه Nature Sustainability منتشر شده است.
ژای وی درباره این پژوهش گفت: دوام و قابلیت بازیافت را دو بخش از یک معادله طراحی در نظر گرفتیم. زیرلایه باید در طول استفاده اجزای دستگاه را بهطور محکم در کنار هم نگه دارد و در پایان عمر نیز امکان جداسازی کنترلشده قطعات را فراهم کند.
محققان IDBS را با گرم کردن و ترکیب دو ترکیب طبیعی شامل اسید لیپوئیک که در سلولهای زنده وجود دارد و اسید فیتیک که بهوفور در دانهها و غلات یافت میشود تولید کردند. این فرآیند بدون استفاده از کاتالیزور یا حلالهای آلی انجام شد و شبکهای مولکولی با سه نوع پیوند مکمل ایجاد کرد.
در این ساختار پیوندهای دیسولفیدی پویا پس از آسیبدیدگی میتوانند بازآرایی شده و اتصالات جدیدی ایجاد کنند و در نتیجه خاصیت خودترمیمی را فراهم آورند. پیوندهای استری با پایداری بیشتر استحکام ساختار را حفظ میکنند و پیوندهای هیدروژنی نیز انرژی ناشی از کشش را جذب کرده و چسبندگی ماده به فلزات را افزایش میدهند. همکاری این سه نوع پیوند تعادل مناسبی میان انعطافپذیری لازم برای ترمیم و استحکام مورد نیاز برای استفاده مداوم ایجاد میکند.
یکی از فرمولاسیونهای این ماده توانست پیش از پارگی بیش از هشت برابر طول اولیه خود کشیده شود. همچنین نمونهای که بهشدت آسیب دیده بود، در دمای اتاق طی شش ساعت بیش از ۸۰ درصد استحکام اولیه خود را بازیابی کرد و این میزان پس از ۲۴ ساعت به بیش از ۹۰ درصد رسید.
پژوهشگران اعلام کردند بیشتر الاستومرهای خودترمیمشونده گزارششده تاکنون طی شش ساعت به بازیابی ۸۰ درصدی دست پیدا نمیکنند. علاوه بر این کارایی ترمیم این ماده پس از پنج چرخه متوالی آسیب و ترمیم همچنان بالای ۹۰ درصد باقی ماند، موضوعی که میتواند از خارج شدن حسگرها از چرخه استفاده بر اثر آسیبهای جزئی جلوگیری کند.
یکی از چالشهای اصلی در حسگرهای پوشیدنی جدا شدن رساناهای فلزی از زیرلایه است. از این رو پژوهشگران عملکرد IDBS را در اتصال با مدارهای روی (Zinc) مورد استفاده در پوست الکترونیکی و لایههای نقره مورد استفاده در الکترودهای ثبت سیگنالهای قلب و عضله بررسی کردند.
نتایج نشان داد گرم کردن زیرلایه تا ۸۵ درجه سانتیگراد باعث افزایش تحرک زنجیرههای پلیمری و ایجاد گروههای فعالتر برای اتصال به فلز میشود. پس از سرد شدن شبکه مولکولی دوباره شکل گرفته و میزان چسبندگی به مدارهای روی حدود ۱۰ برابر نسبت به اتصال در دمای اتاق افزایش یافت.
در فرآیند رسوبدهی نقره نیز افزایش تحرک زنجیرهها موجب نفوذ ذرات نقره به زیر سطح و ایجاد اتصال محکمتر با زیرلایه شد.
آزمونهای جدایش نشان دادند چسبندگی نقره به IDBS سه برابر بیشتر از پلیدیمتیلسیلوکسان (PDMS) و یک و نیم برابر بیشتر از استایرن-اتیلن-بوتیلن-استایرن (SEBS) است، دو مادهای که بهطور گسترده در تجهیزات الکترونیکی نرم و کشسان استفاده میشوند.
نمونههای اولیه پوست الکترونیکی ساختهشده با این زیرلایه توانستند دما، رطوبت ناشی از تنفس و میزان کشش را با دقت پایش کنند. همچنین الکترودهای نقرهای نصبشده روی IDBS سیگنالهای قلب و عضلات را با کیفیتی مشابه الکترودهای تجاری ثبت کردند.
پژوهشگران همچنین مقاومت این سامانه را در برابر سایش ارزیابی کردند. پس از ۸۰۰ چرخه اصطکاک با پوست مصنوعی الکترودهای ساختهشده بر پایه IDBS همچنان سیگنالهای واضح و پایداری تولید کردند در حالی که در نمونههای مبتنی بر PDMS لایه نقره جدا شد و کیفیت سیگنالها بهطور محسوسی کاهش یافت.
دانگ چائو، پژوهشگر گروه مهندسی مکانیک دانشگاه ملی سنگاپور و نویسنده نخست این مقاله گفت: در طراحی حسگرهای نرم معمولا تمرکز اصلی بر رساناها است و زیرلایه تنها یک تکیهگاه در نظر گرفته میشود، اما نتایج ما نشان میدهد مهندسی زیرلایه به همان اندازه در حفظ کیفیت سیگنال و تولید حسگرهای قابل اعتماد و بادوام اهمیت دارد.
ویژگی مهم دیگر IDBS قابلیت جداسازی آسان قطعات در پایان عمر دستگاه است. با گرم کردن دوباره این ماده زیرلایه نرم شده و مدارهای روی و سایر قطعات الکترونیکی بدون آسیب از آن جدا میشوند تا بتوان زیرلایه را دوباره قالبگیری و استفاده کرد.
در روش دیگری نیز استفاده از اتانول باعث تجزیه زیرلایه میشود؛ بهگونهای که پژوهشگران توانستند مدارها را تمیز کرده ذرات نقره را برای تولید جوهرهای رسانا بازیابی و باقیمانده ماده را بهعنوان چسب دوباره فرآوری کنند.
آزمایشها نشان داد پس از سه چرخه ذوب و قالبگیری مجدد این زیرلایه همچنان بیش از ۹۰ درصد قابلیت کشسانی اولیه خود را حفظ میکند.
همچنین ارزیابی چرخه عمر این فناوری نشان داد IDBS در مقایسه با مواد رایج مانند PDMS، SEBS و پلییورتان در اغلب شاخصهای زیستمحیطی از جمله گرمایش جهانی و سمیت زیستبومی اثرات کمتری دارد. البته بهترین عملکرد زمانی حاصل میشود که نرخ بازیافت به حدود ۹۵ درصد برسد.
به گفته ژای وی مرحله بعدی این پروژه توسعه زیرلایه برای اتصال مطمئنتر به تراشهها و سایر قطعات پردازشگر سیگنال است.
وی افزود: در آینده قصد داریم استفاده از این زیرلایه را از بخش حسگرها به اجزای الکترونیکی پردازش سیگنال نیز گسترش دهیم. برای تحقق این هدف زیرلایه باید علاوه بر مدارهای فلزی، اتصال قابل اعتمادی با تراشهها و سایر قطعات برقرار کند و همچنین مقاومت حرارتی آن افزایش یابد تا بتواند شرایط تولید مدارهای انعطافپذیر را تحمل کند.
انتهای پیام/