- การศึกษาเปิดเผยวิธีที่หยดโลหะเหลวสร้างวงจรในวัสดุที่ยืดหยุ่น
- โลหะเหลวสามารถใช้ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น เซ็นเซอร์ที่สวมใส่ได้และหุ่นยนต์ที่ยืดหยุ่น
- ทีมงานได้สร้างโมเดลทางคณิตศาสตร์เพื่อคาดการณ์แรงที่จำเป็นในการนำไฟฟ้า
- การเข้าใจกลไกนี้จะช่วยในการออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่น
วิศวกรจาก Virginia Tech ได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับวิธีที่หยดโลหะเหลวที่ฝังอยู่ในวัสดุที่ยืดหยุ่นเชื่อมต่อกันเป็นวงจรทำงาน ซึ่งเป็นปัญหาที่รบกวนผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นมานาน คำตอบอยู่ที่รอยแตกเล็กๆ ที่เกิดขึ้นเมื่อวัสดุถูกกดดัน ซึ่งรอยแตกเหล่านี้จะยังคงเต็มไปด้วยโลหะ การศึกษานี้มาจากห้องทดลองของวิศวกรเครื่องกล Michael Bartlett โดยมีผู้สมัครปริญญาเอก Zhu Wuzhou และ Hugh P. Glennan เป็นผู้ร่วมเขียน การศึกษานี้เกี่ยวข้องกับรางวัล CAREER ของ Bartlett ที่ได้รับจาก National Science Foundation
ความสำคัญของโลหะเหลวคือผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่น บิดงอ หรืออ่อนนุ่ม เช่น เซ็นเซอร์ที่สวมใส่ได้และหุ่นยนต์ที่เปลี่ยนรูป มักจะพึ่งพาโลหะเหลวในการนำกระแสไฟฟ้า โลหะเหลวผสมผสานคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของโลหะและความยืดหยุ่นของวัสดุที่อ่อนนุ่ม ทีมงานของ Bartlett ใช้โลหะเหลวที่เป็นอัลลอยด์ Ga-In ซึ่งยังคงเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ มันดูเหมือนกลุ่มของลูกบอลเล็กๆ เมื่อบอลเหล่านี้สัมผัสกัน จะรวมตัวกันเป็นช่องทางการนำกระแสไฟฟ้า โพลิเมอร์หรือยางจะยึดหยดให้คงที่ในตำแหน่งที่เหมาะสม แต่วัสดุนี้ยังเติมเต็มช่องว่างระหว่างหยดด้วย
นี่ทำให้เกิดปริศนา: หากฉนวนอยู่ระหว่างหยด กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านได้อย่างไร?
เปิดเผยกลไกการนำไฟฟ้าของโลหะเหลว
Bartlett กล่าวว่า นักวิจัยทั่วโลกได้ใช้แรงกดดันทางกลในการเปลี่ยนวัสดุผสมเหล่านี้ให้เป็นตัวนำมาหลายปี แต่ยังไม่เข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นภายใน เขาชี้ให้เห็นว่าเป้าหมายของการศึกษา คือการเปิดเผยกลไกทางกายภาพที่ทำให้หยดโลหะเหลวที่แยกจากกันกลายเป็นตาข่ายไฟฟ้า ทีมงานใช้กล้องจุลทรรศน์และการสร้างภาพ X-ray สามมิติในการสังเกตการเปลี่ยนแปลงของวัสดุในระหว่างกระบวนการบีบอัด เมื่อวัสดุถูกกดดัน วัสดุระหว่างหยดที่อยู่ใกล้เคียงจะเกิดรอยแตก โลหะเหลวจะไหลเข้าสู่ช่องว่างเหล่านี้ เมื่อแรงกดดันถูกปล่อยออก โลหะจะคงอยู่ในรอยแตกและสร้างช่องทางที่กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านได้
Zhu Wuzhou กล่าวว่า ทีมงานได้สังเกตเห็นกระบวนการนี้ในมิติสองมิติ และจากนั้นได้สร้างช่องทางเหล่านี้ในมิติสามมิติ เพื่อดูว่ารอยแตกในท้องถิ่นเติบโตขึ้นเป็นตาข่ายนำไฟฟ้าอย่างไร นักวิจัยยังได้สร้างโมเดลทางคณิตศาสตร์เพื่อคาดการณ์แรงที่จำเป็นในการทำให้วัสดุมีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้า โมเดลนี้ใช้ได้กับการออกแบบหลายประเภท ตั้งแต่หยดที่มีขนาดมิลลิเมตร (ประมาณ 0.04 นิ้ว) ไปจนถึงหยดที่มีความกว้างเพียงไม่กี่สิบไมครอน (ไม่กี่พันส่วนของนิ้ว) Glennan ชี้ให้เห็นว่าการเชื่อมโยงการสร้างช่องทางกับโมเดลกลศาสตร์การแตกหักหมายความว่านักวิจัยสามารถ "ออกแบบวัสดุผสมโลหะเหลวที่เปิดใช้งานภายใต้แรงและขนาดความยาวที่จำเป็นได้"
การประยุกต์ใช้ในการออกแบบผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่น
กรอบงานนี้สามารถช่วยผู้ผลิตควบคุมตำแหน่งที่การนำไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในเซ็นเซอร์ที่ยืดหยุ่น ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ และหุ่นยนต์ที่ยืดหยุ่น เนื่องจากกลไกนี้ได้รับการเข้าใจแล้ว นักออกแบบสามารถใช้มันเพื่อชี้นำการออกแบบและการผลิตวัสดุ Bartlett กล่าวว่า นี่เป็นการเปิดประตูสู่ระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่อ่อนนุ่ม ซึ่งในระบบเหล่านี้ การนำไฟฟ้าสามารถถูกโปรแกรมผ่านโครงสร้างวัสดุและวิธีการจัดการอุปกรณ์ การศึกษานี้เผยแพร่ในวารสาร "Matter"
ศักยภาพการใช้โลหะเหลวในอิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่น
การศึกษาด้านโลหะเหลวมีความสำคัญต่อการพัฒนาผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่น เนื่องจากมันสามารถให้การนำไฟฟ้าที่จำเป็นในเทคโนโลยีที่สวมใส่ได้และหุ่นยนต์ที่เปลี่ยนรูปได้ เมื่อการศึกษาเปิดเผยวิธีที่หยดโลหะเหลวสร้างวงจรภายใต้แรงกดดัน นักออกแบบสามารถควบคุมตำแหน่งการนำไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำ ซึ่งจะส่งเสริมการสร้างสรรค์ระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นรุ่นใหม่ ด้วยการสร้างโมเดลทางคณิตศาสตร์ การออกแบบวัสดุในอนาคตจะสามารถตอบสนองความต้องการของตลาดได้อย่างมีประสิทธิภาพและยืดหยุ่นยิ่งขึ้น ส่งเสริมการใช้เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นต่อไป