دستیابی به ماده‌ای که منجر به ساخت مدارهای الکترونیکی انعطاف‌پذیر می‌شود

فناوری اگرچه امروز با شتاب هرچه بیشتر به سوی سیستم‌های الکترونیکی سبک‌تر، خمش‌پذیر، تاشو و انعطاف‌پذیر پیش می‌رود اما مدارهای امروزی که برای تامین توان این دستگاه‌ها به کار می‌روند به اندازه‌ی خود این دستگاه‌ها قابلیت انعطاف آزادانه و متناوب و همچنین توانایی خودترمیمی شکاف‌ها یا شکستگی‌هایی که در پی کاربرد طبیعی و گذشت زمان رخ می‌دهد را ندارند.

تا به امروز، مواد خودترمیم‌گر همواره به یک برانگیزنده‌ی بیرونی همانند نور یا گرما برای شروع فرایند ترمیم وابسته بوده‌اند. ماده‌ی موسوم به سوپرژل (supergel) ساخته شده در دانشگاه آوستین (UT Austin) دارای رسانایی بالا (به اندازه‌ای که ماده توانایی رسانش الکتریسته را به خوبی داشته باشد) و ساختار مکانیکی قوی و ویژگی‌های الکتریکی برای خودترمیم‌گری است. گیهوآ یو (Guihua Yu) استادیار مهندسی مکانیک و سازنده‌ی سوپرژل در این باره می‌گوید:

در دهه‌ی گذشته، مفهوم خودترمیم‌گری توسط افراد گوناگونی که در این زمینه و در رابطه با کاربردهای گسترده‌ی آن کار می‌کنند بسیار مورد توجه بوده است اما این نخستین باری است که ماده‌ای ساخته شده که بدون هیچ عامل برانگیزنده‌ی بیرونی توانایی خودترمیمی را دارد. برای بازسازی یک شکستگی یا شکاف در یک مدار الکترونیکی یا باتری به هیچ نور یا گرمایی نیاز نیست. در مواد خودترمیم‌گری که پیش از این ساخته شده بودند همواره برای این کار به نور یا گرمای بیرونی نیاز داشتیم.

یو و گروهش این سوپرژل را با آمیختن دو نوع ژل با هم دیگر ساختند. ماده‌ی اول یک ژل با ساختار لیگاند فلزی و خودسامانگر (self assembling) است که دارای ویژگی خودترمیمی است. دومی هم یک هیدروژل پلیمری رسانا است. به زودی مقاله‌ای درباره‌ی ترکیب هیدروژل ساخته شده در مجله‌ی نانو لترز (Nano Letters) منتشر می‌شود. در این مقاله، پژوهشگران توضیح می‌دهند که چگونه با کاربرد یک مولکول کریستال‌ مایع، توانسته‌اند رسانایی، سازش پذیری زیستی و تراوایی مغناطیسی هیدروژل پلیمری ماده را افزایش دهند. آنها توانستند هیدروژل‌های پلیمری بسازند که تا ۱۰ برابر نسبت به هیدروژل‌های به کار برده شده در بیوالکترونیک و باتری‌های قابل شارژ معمولی، رسانایی بیشتری داشته باشد.

ساختارهای نانویی که در ساختمان این ژل هستند در واقع کوچک‌ترین ساختارهایی به شمار می‌روند که توانایی جابجایی کارآمد بار و انرژی الکتریکی را دارند. در مقاله‌ای که پیش از این در ماه سپتامبر منتشر شد، یو یک ماده‌ی خودترمیم‌گر از نوع ژل هیبریدی (چندگانه) را معرفی کرد. ماده‌ی ثانویه‌‌ی این ژل هیبریدی خودترمیم‌گر، یک ژل چندمولکولی با ساختار لیگاند فلزی است. به کار گیری مولکول‌های تریپیدین برای ساختار اصلی و کاربرد اتم‌های روی به عنوان ماده‌ی چسباننده، منجر به ساخته شدن ماده‌ای می‌شود که توانایی بازسازی خود را به صورت اتوماتیک پس از شکسته شدن دارد.

هنگامی که این ژل چندمولکولی در ساختار هیدروژل پلیمری وارد شود، یک ژل هیبریدی درست خواهد شد که ساختار مکانیکی و کشسانی آن نسبت به قبل افزایش یافته است. یو معتقد است که برای ساختن یک مدار الکترونیکی خودترمیم‌گر، ژل خودترمیم‌گر نمی‌تواند به طور کامل جانشین رساناهای فلزی که امروزه به کار می‌روند شود، اما می‌تواند به عنوان یک مفصل نرم به کار رفته و بخش‌های دیگر مدار را به هم پیوند دهد. او می‌گوید:

این ژل در نقاط پیوندی و جفت‌شدگی در مدارها می‌تواند به کار برده شود چون بیشتر شکستگی‌ها در این نقاط رخ می‌دهند. روزی خواهد رسید که شما خواهید توانست با ریختن این ژل به محل پیوند‌ها در مدارها سختی و مقاومت آنها را در برابر شکستگی بیشتر کنید.

گروه یو در حال حاضر به دنبال یافتن زمینه‌های کاربردی دیگر از این ژل‌ها در پزشکی و ذخیره‌ی انرژی هستند. کاربرد این ژل‌ها در باتری‌ها برای ذخیره‌ی بهتر انرژی الکتریکی می‌تواند یکی از شگرف‌ترین و بهترین زمینه‌های کاربرد این وسیله باشد. پژوهش گروه یو از بنیاد ملی علوم امریکا کمک مالی به مبلغ سه میلیون دلار دریافت کرده است.