Японское искусство киригами, заключающееся в фигурной резке бумаги и изготовлении из неё необычных фигурок, вдохновило исследователей из Мичиганского университета на создание гибкой и растяжимой электроники на основе углеродных нанотрубок. Растяжение нового материала можно увеличить с 4 до 370% без существенного влияния на проводимость.
В поисках способов создания гибких, растяжимых и при этом функциональных проводников американские исследователи обратились к японскому искусству киригами. Напомним, что не так давно писали о том, что это искусство легло в основу инновационных растягивающихся аккумуляторов. Обычно сжатие нарушает электропроводящие свойства устройства, однако при растяжении проводники снова начинают действовать в полную силу.
"Метод киригами подсказал нам, как проектировать деформируемые проводящие листы. Раньше этот процесс был почти недоступен и устройства получались не очень эффективными, – рассказывает один из авторов исследования Николас Котов (Nicholas Kotov). – Когда материалы растягиваются по максимуму, сложно заранее предсказать, когда и где произойдёт разрыв. Однако наш новый подход позволяет материалу растягиваться и восстанавливаться, оставаясь по-прежнему работоспособным".
Новая концепция, на первый взгляд, кажется достаточно простой, однако инженеры только сейчас пришли к такому решению проблемы. Первый прототип проводника-киригами был создан с помощью бумаги, покрытой углеродными нанотрубками. Конструкция была предельно простой и внешне напоминала кухонную тёрку.
Далее команда соорудила другой прототип в стеклянной колбе, заполненной газом аргоном. Напряжение на электродах генерировало электрическое поле, которое заставляло аргон ионизироваться и излучать свет. В этом случае растяжение в 200% никак не влияло на процесс.
(Котов объясняет, что по тому же принципу в будущем будут контролироваться пиксели растяжимого плазменного дисплея.)
Инженеры пытались понять, как именно разрезы в разных местах пласта материала влияют на способность проводника к растяжению без потерь функциональности. Для этого учёным пришлось обратиться к компьютерному моделированию. Оно помогло учёным узнать, чего можно ожидать от гибких элементов различных форм. Затем, также с помощью моделирования, исследователи изучили влияние различных переменных на растяжимость материала (в частности, длины и кривизны разрезов и расстояния между ними).
Для получения микроскопического проводника-киригами доцент в области материаловедения и инженерии Терри Шью (Terry Shyu) изготовила специальную "бумагу" из оксида графена — материала, состоящего из углерода и кислорода толщиной в один атом. Она проложила его гибким пластиком, создав около трёх десятков слоёв. Самым сложным в процессе, по её словам, было нанесение крошечных разрезов, длина которых была около нескольких десятых миллиметра.
Для этого высокотехнологичную "бумагу" покрыли материалом, удалить который можно с помощью лазерного света. Затем Шью "вытравила" лазером на покрытии необходимый рисунок, а потом при помощи потока ионов кислорода и электронов создала нужные разрезы по маске покрытия.
В итоге получился материал, который повёл себя согласно прогнозам моделей. Он растягивался без дополнительных потерь в проводимости.
Возможно, в недалёком будущем люди, благодаря этой технологии, смогут погнуть свой смартфон, и это будет считаться достоинством техники, а не его дефектом.
Подробности исследования были опубликованы в издании Nature Materials.
