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Capsule per circuiti di autoguarigione
La caduta di un telefono cellulare o di un laptop può, ovviamente, causare danni irreparabili. Ora i ricercatori stanno sviluppando un materiale che potrebbe consentire a un circuito di autoripararsi piccoli ma critici danni causati da un tale impatto.
Cerotto elettrico: Le capsule polimeriche riempite con nanotubi di carbonio possono ripristinare la conduttività dei circuiti elettrici quando vengono aperte. La sospensione di nanotubi all'interno delle capsule è visibile nell'immagine al microscopio ottico sopra; l'immagine sotto, da un microscopio elettronico a scansione, mostra la superficie delle capsule polimeriche.
Capsule, riempite con nanotubi conduttivi, che si aprono sotto stress meccanico potrebbero essere posizionate su circuiti stampati in aree soggette a guasti. Quando lo stress provoca una crepa nel circuito, anche alcune capsule si rompono e rilasciano nanotubi per colmare la rottura. I ricercatori, dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, stanno anche lavorando su additivi per capsule progettati per riparare i guasti negli elettrodi delle batterie agli ioni di litio, per prevenire il cortocircuito che a volte può causare un incendio.
La ricerca precedente sui materiali autorigeneranti si è concentrata principalmente sul ripristino delle proprietà meccaniche dopo un evento dannoso. I ricercatori dell'Università dell'Illinois, ad esempio, hanno già realizzato rivestimenti autoriparanti in grado di riparare graffi e prevenire la corrosione su barche o telai di automobili. Ora il gruppo ha portato le stesse tecniche al problema del ripristino delle proprietà elettroniche.
Vogliamo affrontare i guasti comuni nei telefoni cellulari e altri dispositivi elettronici portatili, afferma Paul Braun , professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università dell'Illinois che guida il progetto di ricerca con Jeffrey Moore , professore di chimica, scienza dei materiali e ingegneria. Questi guasti possono diventare un problema ancora più grande poiché l'elettronica flessibile, soggetta a sollecitazioni meccaniche molto maggiori, si diffonde, afferma Braun.
Per realizzare il loro materiale autorigenerante, Braun e Moore hanno incapsulato nanotubi di carbonio all'interno di sfere polimeriche di circa 200 micrometri di diametro ciascuna. Hanno selezionato i nanotubi di carbonio per la loro elevata conduttività elettrica e perché la loro forma allungata fa un buon lavoro di allineamento per colmare le lacune.
Negli studi di prova del concetto, i ricercatori hanno strappato le capsule e posizionato la miscela risultante tra le punte di due sonde elettriche. I nanotubi rilasciati hanno formato un ponte che ha completato il circuito tra le due sonde. Sebbene il polimero stesso non sia conduttivo, ciò non ha impedito il flusso di corrente: dopo la rottura si è verificato un aumento netto positivo della conduttività. I dettagli degli esperimenti sono stati pubblicati la scorsa settimana in Journal of Materials Chemistry .
Il ripristino delle proprietà elettroniche è fantastico, dice Christopher Bielawski , professore associato di chimica presso l'Università del Texas ad Austin, che sta anche sviluppando materiali elettronici autorigeneranti.
Molte volte quando un dispositivo si guasta, è perché un circuito o un condensatore si brucia, afferma Bielawski. Questo è fondamentale in situazioni in cui non è possibile ripararlo, in satelliti o sottomarini. Per risolvere il problema, gli ingegneri attualmente integrano la ridondanza in un sistema. I circuiti di autoriparazione potrebbero rendere i dispositivi per le applicazioni remote più leggeri, più efficienti e più economici, afferma Bielawski.
Mark Hersam , professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Northwestern University di Evanston, IL, vede anche il potenziale per i materiali da utilizzare nelle batterie. I guasti delle batterie agli ioni di litio possono essere catastrofici, portando a incendi esplosivi che si verificano quando la corrosione provoca cortocircuiti elettrici, afferma Hersam. Il mese scorso, Hersam ha avviato una collaborazione sponsorizzata dal Dipartimento dell'energia con i ricercatori dell'Università dell'Illinois per sviluppare materiali autoriparanti per le batterie. Dovrebbe anche essere possibile selezionare polimeri in capsule che rispondono a cambiamenti chimici come la corrosione, dice.
Certo, non vuoi appesantire una batteria con cose extra, dice Braun. Lo stesso vale per i circuiti stampati. Ma Braun dice che non è necessario utilizzare grandi quantità di capsule: potresti aggiungere le capsule in piccole quantità perché questi guasti tendono a verificarsi ogni volta nello stesso punto della struttura.
I ricercatori stanno attualmente sviluppando modi per posizionare con precisione le sfere. Braun dice che il gruppo ha accettato un documento che descrive l'uso di una tecnica chiamata elettrospray per posizionare le bolle di nanotubi. Il gruppo sta anche lavorando a test più realistici per le capsule, inclusi studi di frattura in materiali conduttivi.