Магнитные чернила: развитие новых технологий использования
Инженеры разработали новые магнитные чернила для печати самовосстанавливающихся устройств, которые заживают в рекордно короткие сроки.
Группа инженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработала магнитные чернила, которые можно использовать для создания самовосстанавливающихся батарей, электрохимических датчиков и носимых текстильных электрических цепей.
Ключевым компонентом чернил являются микрочастицы, ориентированные в определенной конфигурации под действием магнитного поля. Благодаря такой ориентации частицы по обе стороны разрыва магнита притягиваются друг к другу, заставляя устройство, напечатанное этими чернилами, самовосстанавливаться. Такие устройства восстанавливают разрывы шириной до 3 миллиметров — рекорд в области самовосстанавливающихся систем. Результаты своих исследований ученые подробно изложили в журнале Science Advances.
«Наша работа открывает большие перспективы для широкого практического применения долговечных печатных электронных устройств», — сказал Джозеф Ванг, директор Центра носимых датчиков и заведующий кафедрой наноинженерии в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
Существующие самовосстанавливающиеся материалы требуют внешнего триггера для запуска процесса заживления. Кроме того, для их работы требуется от нескольких минут до нескольких дней. В отличие от них, система, разработанная Вангом и его коллегами, не требует никакого внешнего катализатора. Повреждения восстанавливаются примерно за 50 миллисекунд (0,05 секунды).
Инженеры использовали чернила для печати батарей, электрохимических датчиков и носимых текстильных электрических схем. Затем они приступили к повреждению этих устройств, разрезая и разрывая их, чтобы создать все более широкие зазоры. Исследователи неоднократно повреждали устройства девять раз в одном и том же месте. Они также наносили повреждения в четырех разных местах на одном и том же устройстве. При этом устройства самовосстанавливались и возвращали себе работоспособность, теряя при этом минимальное количество проводимости. Например, наноинженеры напечатали самовосстанавливающуюся схему на рукаве футболки и соединили её со светодиодом и батарейкой-таблеткой. Затем исследователи разрезали схему и ткань, на которой она была напечатана. В этот момент светодиод погас. Но затем через несколько секунд он снова загорелся, поскольку две стороны схемы снова соединились и восстановили проводимость. Наноинженеры напечатали самовосстанавливающуюся схему на рукаве футболки и соединили её со светодиодом и батарейкой-таблеткой. Затем исследователи разрезали схему и ткань, на которой она была напечатана. В этот момент светодиод погас. Но через несколько секунд он снова включился, поскольку две стороны схемы соединились и восстановили проводимость.
«Мы хотели разработать интеллектуальную систему с впечатляющими способностями к самовосстановлению, используя легкодоступные и недорогие материалы», — сказал Амай Бандодкар, один из первых авторов статьи, получивший докторскую степень в лаборатории Ванга и в настоящее время являющийся постдокторантом в Северо-Западном университете.
Инженеры насытили чернила микрочастицами, изготовленными из типа магнита, широко используемого в исследованиях, и из неодима — мягкого серебристого металла. Магнитное поле частиц намного больше, чем их индивидуальный размер. В этом и заключается ключ к самовосстанавливающимся свойствам чернил, поскольку притяжение между частицами приводит к закрытию разрывов шириной в миллиметры.
Эти частицы также проводят электричество и недороги. Однако они обладают плохими электрохимическими свойствами, что затрудняет их использование в электрохимических устройствах, таких как датчики, в чистом виде. Для решения этой проблемы исследователи добавили в чернила сажу — материал, обычно используемый для изготовления батарей и датчиков.
Однако исследователи обнаружили, что магнитные поля микрочастиц в их естественной конфигурации взаимно компенсируются, лишая их восстанавливающих свойств. Инженеры решили эту проблему, нанося чернила в присутствии внешнего магнитного поля, что обеспечивало ориентацию частиц таким образом, чтобы они вели себя как постоянный магнит с двумя противоположными полюсами на конце каждого напечатанного устройства. Когда устройство разрезают на две части, две поврежденные части действуют как разные магниты, которые притягиваются друг к другу и самовосстанавливаются.
