Pehmeät materiaalit venyviin ja itsekorjautuviin elektronisiin sovelluksiin

Maailma tarvitsee yhä enemmän elektroniikkaa, joka on joustavaa, venyvää ja pehmeää. Tällaisia laitteita tarvitaan esimerkiksi pehmeässä robotiikassa, puettavassa elektroniikassa sekä bioelektronisissa sovelluksissa, jotka voivat kiinnittyä suoraan ihmisen ihoon ja kudoksiin. Uusi ja kiinnostava kehitysaskel on itsekorjautuvuuden lisääminen elektroniin laitteisiin - laitteisiin, jotka pystyvät korjaamaan itsensä vaurioituessaan. Perusajatus on yksinkertainen: laitteita ei enää suunnitella rikkoutumaan pysyvästi vaurioitumisen seurauksena. Sen sijaan ne valmistetaan erityisistä polymeerimateriaaleista, jotka voivat korjata itsensä ja jatkaa toimintaansa esimerkiksi naarmuuntumisen tai repeytymisen jälkeen. Tämä tarkoittaa, että elektroniikasta voi tulla kestävämpää, huoltovapaampaa sekä paremmin todellisiin käyttöolosuhteisiin soveltuvaa, jopa vaativissa ympäristöissä.

Tässä väitöskirjassa pehmeitä ja venyviä materiaaleja käytettiin kosteudelle epäherkkien lämpötila-antureiden valmistamiseen. Nämä anturit pystyvät mittaamaan lämpötilaa myös silloin, kun niitä venytetään. Väitöstyön toinen keskeinen saavutus on spontaanisesti itsekorjautuvan, venymälle epäherkän ja sähköä johtavan nestemetallielastomeerin (ECLME) kehittäminen. Tämä materiaali edustaa merkittävää edistysaskelta monitoiminnallisissa materiaaleissa painettavaa elektroniikkaa varten. Materiaali mahdollistaa sähköisten johdotusten ja elektronisten komponenttien toteuttamisen viestintää, mittaamista ja signaalinsiirtoa varten sekä samalla yksinkertaistaen merkittävästi laitteiden valmistusta ja kokoonpanoa.

Kokonaisen itsekorjautuvan elektroniikkalaitteen rakentaminen on haastavampaa kuin yksittäisten materiaalien yhdistäminen, koska laitteen kaikkien kerrosten täytyy asettua oikein ja palautua toimiviksi vaurion jälkeen. Tässä väitöskirjassa valmistettiin useita toimivia itsekorjautuvien elektronisten laitteiden prototyyppejä hyödyntäen kehitettyjä materiaaleja. Näihin kuuluvat esimerkiksi LED-näyttö, paristolla integroitu LED-laite, RF-siirtolinjat sekä UHF RFID-tunnisteantennit. Yksi materiaalin tärkeä ominaisuus on sen kyky kiinnittyä muihin materiaaleihin itsestään ilman erillisiä liimoja. Tämä itsekiinnittyvä ominaisuus yksinkertaistaa laitteiden valmistusta ja käyttöä.

Laitteita testattiin erilaisissa olosuhteissa, kuten toistuvassa venytyksessä sekä tilanteissa, joissa ne vaurioitettiin ja annettiin itsekorjautua uudelleen. Tulokset osoittavat, että kehitetyt materiaalit ovat erittäin lupaavia tulevaisuuden elektroniikassa. Samalla niiden toimintaa ohjaavasta perustavanlaatuisesta fysiikasta on vielä paljon opittavaa, erityisesti siitä, miten materiaalit, rakenteet ja toiminnot vuorovaikuttavat keskenään. Jatkotutkimuksen myötä tämä teknologia voi johtaa luotettavampiin, ympäristön kannalta kestävämpiin ja pitkäikäisempiin laitteisiin puettavassa elektroniikassa, pehmeässä robotiikassa ja ihmisen kehon kanssa vuorovaikuttavissa sovelluksissa.