Фрактальные проволочные структуры – будущее растяжимой электроники

Фракталы – это шаблоны (модели), которые могут встречаться повсюду

Они определяются инвариантностью, то есть неизменностью, вне зависимости от своих размеров: это может быть снежинка, брокколи или элемент электроники.

Новое исследование показало, что металлические провода, созданные по принципу фрактальных структур, при интеграции с эластичными материалами обеспечивают высокое растяжение электронных устройств.

Проволочные фрактальные модели обеспечат создание целого ряда новых устройств – таких как, например, присоединяемые к коже биомедицинские датчики, которые обладают уникальными свойствами: их не видно на магнитно-резонансной томографии, сообщается в phys.org.

Расширение диапазона использования растяжимых элементов

Джонатан А. Фан и другие исследователи из учреждений США, Китая, Кореи и Сингапура опубликовали в Nature Communications доклад о преимуществах фрактальных моделей относительно растяжимости электронных устройств. Основной задачей при проектировании такой электроники является, во-первых, поддержание хорошей электронной функциональности, а во-вторых, одновременное обеспечение вдвое большего растяжения по сравнению с нормальным размером устройства. Некоторые наиболее успешные подходы к достижению обеих этих целей объединили сразу два компонента – жесткий и мягкий. Первый – для обеспечения высокой проводимости, второй – для механического растяжения. Вопрос состоит лишь в том, как наиболее эффективно их интегрировать.

Результаты нового исследования показывают, что фрактальные модели могут обеспечить перспективный подход к интеграции жестких и мягких материалов. Выводы также позволяют предположить, какое влияние фрактальные модели могут оказывать на механические свойства 2D-материалов. В новых устройствах жесткие металлические провода выполнены с помощью фрактальных конструкций и связаны с мягкими эластомерами.

«Мы нашли подход, позволяющий эффективно соотносить жесткие и мягкие материалы, что подойдет для всех сфер использования растяжимой электроники, – говорит соавтор исследования Джон Роджерс, профессор из Университета штата Иллинойс в Урбана-Шампейн. – Полученные свойства также обеспечивают расширенные возможности по растяжению не только электронных приборов и датчиков, но и фотонных, оптоэлектронных, а также фотоэлектрических».

Металлические провода с рисунком Пино образуют слово «Иллинойс», нанесены на кожу. Изображение с сайта macmillan.com

Универсальные фрактальные фигуры

В своих экспериментах ученые исследовали несколько различных фрактальных узоров, в том числе Пино, Виксек, греческий крест и другие. Ученые обнаружили, что эти фракталы имеют ключевые преимущества по сравнению с другими шаблонами – например, петлями и серпантином, которые использовались ранее. С моделью Пино, например, исследователи смогли понять, что изменение направленности рисунка повышает упругость и влияет на различные виды деформаций.

Фрактальные шаблоны могут позволить исследователям адаптировать электронные устройства, способные растягиваться, для различных приложений, в зависимости от того, какой тип растяжения требуется. Одним из потенциальных приложений может стать «эпидермальная электроника». Для лучшего понимания сути приложения можно провести аналогию с электродами, измеряющими электрофизиологические процессы в мозге, сердце и мышцах. Для оптимизации уровня соединения электроды должны соответствовать свойствам кожи, имеющей растяжение до 20%. Исследователи обнаружили, что электроды фрактальной модели греческого креста обеспечивают высокую связность, растяжимость и надежность, что позволяет им выгодно отличаться от обычных электродов на гелевой основе.

Фрактальные образцы для интеграции в жесткие и мягкие материалы. Изображение с сайта macmillan.com

Незаменимость в медицине

Исследователи провели МРТ-эксперименты, сравнивающие электроды, изготовленные из трех видов фрактальных узоров, двух вариантов серпантина (не фрактала), рисунка, состоящего из наложенных друг на друга вертикальных и горизонтальных линий, и варианта, не использующего шаблон. Результаты показали, что, в отличие от фрактальных моделей, другие варианты допускают затемнения и некоторые искажения на изображениях МРТ.

Ученые объясняют это тем, что фрактальные модели не содержат замкнутых цепей, что позволяет им иметь большую перспективу по созданию имплантированных электродов и других электронных устройств. В будущем исследователи планируют изучить дальнейшие применения фракталов в электронике.

По словам Роджерс, ученые сейчас используют те же идеи для того, чтобы перейти от электродов и кремниевых структур к активным материалам для растяжения светодиодов и солнечных батарей. Конечной целью ученые видят получение полных функциональных систем на основе уже известных нам моделей.