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Nov 15, 2023

Multifilamento conduttivo ultraestensibile e indossabile reso possibile dalla struttura in polipirrolo con fibbia in parallelo

npj Elettronica flessibile volume 6, Numero articolo: 42 (2022) Cita questo articolo 1845 Accessi 10 Citazioni 1 Dettagli metriche altmetriche Le fibre conduttive estensibili hanno attirato molta attenzione a causa di

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Le fibre conduttive estensibili hanno attirato molta attenzione a causa del loro potenziale utilizzo nell'elettronica indossabile. Tuttavia, la conduttività insensibile alla deformazione ultraelevata è ostacolata dal disadattamento meccanico nel modulo di Young e dal cedimento delle strutture estensibili sotto grande deformazione. Questa sfida viene affrontata con un multifilamento conduttivo ed elastico costituito da monofilamenti di poliuretano rivestiti in superficie con polipirrolo deformato (PPy), la cui flessibilità è migliorata dal solfosalicilato di sodio. Tali monofilamenti conduttivi paralleli con deformazione in PPy sulla superficie riducono l'influenza delle crepe nel rivestimento conduttivo sulla conduttività complessiva, mostrando un comportamento estremamente insensibile alla deformazione (fattore di qualità Q = 10,9). Sorprendentemente, varie forme complesse di tessuti elettronici indossabili realizzati con questo multifilamento conduttivo mantengono il comportamento insensibile alla deformazione del multifilamento originale, anche in caso di grande deformazione dell'articolazione umana. Questo multifilamento con PPy rugoso presenta vantaggi interessanti nell'applicazione di dispositivi elettronici indossabili super allungati.

Negli ultimi anni, i tessuti elettronici indossabili come sensori1,2, dispositivi di raccolta e stoccaggio di energia3,4, dispositivi di memoria5, display6 e riscaldatori7 hanno attirato un crescente interesse sia da parte delle comunità di ricerca che di quelle industriali. La crescita ad alta velocità dei tessuti elettronici indossabili pone una forte domanda su circuiti elettronici flessibili ed estensibili per garantire la trasmissione stabile e senza perdite di segnali elettrici sotto un ampio allungamento meccanico8,9. Vari metodi tecnologici tra cui la struttura a spirale elicoidale10,11, la struttura a “molla gemellata”12, la struttura a strati13 e la struttura con fibbia8,14 sono stati sviluppati per fabbricare il circuito elettronico estensibile per la progettazione di fibre e filati multifunzionali. La strategia più comunemente utilizzata si basa sulle costruzioni geometriche basate sui principi della molla a spirale, consentendo un'elettronica estensibile ad alte prestazioni10,11. Nonostante l’efficacia del metodo, svantaggi come le strutture multidimensionali che spesso richiedono materiali e tecnologie di incollaggio complessi e il movimento non planare delle bobine durante lo stiramento, hanno stimolato la ricerca di altre strategie alternative15. I compositi fibrosi conduttivi con una struttura a strati a spirale formata dalla laminazione dei film forniscono una soluzione insoddisfacente solo per il loro comportamento poco insensibile alla deformazione (fattore di qualità Q = 0,57 al 356%)13. Pertanto, un circuito elettronico estensibile a base di fibra con facile integrazione e comportamento altamente insensibile alla deformazione è ancora estremamente desiderabile per i tessuti elettronici indossabili.

Le strutture di instabilità sono state utilizzate per superare i vincoli spaziali mantenendo una conduttività costante in vari dispositivi flessibili16. Il modulo apparente degli elementi conduttori può essere significativamente ridotto formando strutture deformate, ad esempio arricciate, ondulate e rugose, sulla superficie del substrato elastico, garantendo l'estensibilità del circuito a base di fibra conduttiva17. Ad esempio, un multifilamento conduttivo a forma di verme è stato preparato pre-stirando innanzitutto un nucleo multifilamento di poliuretano (PU) e quindi rivestendolo con uno strato di grafene8. Tale struttura ha consentito una variazione resistente trascurabile (circa 0,26) fino al 300% di deformazione. Tuttavia, nella fase iniziale dello stiramento è stato osservato un aumento della resistenza elettrica dovuto alla separazione delle rughe del grafene, proprietà utile per i sensori18,19 ma indesiderabile per i circuiti elettronici estensibili. Inoltre, sebbene sia stato dimostrato che la struttura deformata è in grado di alleviare efficacemente il disadattamento meccanico tra gli elementi conduttori e il substrato, è sempre necessaria un'elevata interazione interfacciale per migliorare le prestazioni del ciclo17. Pertanto, è fondamentale selezionare gli elementi conduttori per diversi substrati al fine di ottenere un'interazione interfacciale superiore.