Vật liệu điện tử giống da siêu co dãn có khả năng phát sáng và cảm biến  


 

Hình 1. Màn hình điện phát quang đa điểm ảnh. Thiết bị có thể được kéo giãn và làm biến dạng theo nhiều cách (Nguồn: Organic Robotics Lab, Cornell)

Vào ngày 11/5/2016, trang tin khoa học MaterialsToday đã đăng thông tin về phát minh da nhân tạo bằng hydrogel có thể phát sáng và cảm thụ được lực tác động khi bị kéo dãn [1]. Phát minh mới này là công trình của các nhà khoa học tại đại học Cornell (Hoa Kỳ) và viện công nghệ Italia đã được công bố trên tạp chí khoa học nổi tiếng Science ​[2].

Hiện nay các nhà khoa học đang tập trung phát triển các hệ thống máy móc mềm (soft robotic systems) dùng trong các màn hình hiển thị (visual display) và ngụy trang (camouflage). Các ứng dụng về ngụy trang tiêu biểu như các robot di động chứa các mạng lưới điền đầy chất nhuộm (dyes) làm chúng có thể thay đổi hình dạng ngoài qua màu sắc, cấu trúc và phát quang (luminescence) [3] hay các màng mỏng nhạy với tương tác cơ-điện-hóa phát quang dưới tác động của điện trường [4]. Các ứng dụng về màn hình hiển thị có thể kể đến như linh kiện phát quang bằng polymer (polymeric light-emitting devices (PLEDs)), điốt phát quang hữu cơ (organic light-emitting diodes (OLEDs)) [5,6]. Mặc dù các hệ thống LED được dùng rộng rãi trong các màn hình hiển thị nhưng chúng có nhược điểm là tính năng điện tử bị giới hạn với sự kéo căng tối đa ​εult < 120%, thấp hơn nhiều so với các chất đàn hồi (elastomers) (như Silicon εult ~400 to 700%) [7] dùng trong các robot mềm mô phỏng chuyển động của động vật.

Trong nghiên cứu của mình, các nhà khoa học của đại học Cornell và Viện công nghệ Italia đã phát triển màn (skin) da nhân tạo có thể kéo căng và phát quang tốt dựa trên tụ điện phát quang siêu đàn hồi (hyperelastic light-emitting capacitor - HLEC). Màn da này có độ kéo căng gấp đôi so với các vật liệu dùng hiện nay và diện tích bề mặt có thể dãn ra đến 500% [2]. Cấu tạo của vật liệu gồm các lớp điện cực ionic hydrogel đàn hồi cao và silicon điện môi (dielectric silicone) có chứa các bột quang điện (electroluminescent) phosphor ZnS. Các hạt ZnS được pha tạp (doped) với các chất khác nhau có thể phát quang với nhiều màu sắc khác nhau dưới một điện trường cao. Nếu pha tạp đồng (Cu) sẽ cho ánh sáng xanh lục/xanh dương tương ứng với nồng độ thấp/cao. Trong khi nếu pha tạp với Mangan (Mn) sẽ cho ánh sáng vàng. Nếu ta dùng kết hợp cả Cu và Mn sẽ tạo ra ánh sáng trắng.

Hình 2. Cấu tạo của HLEC. Chúng có cấu trúc 5 lớp gồm một lớp điện phát quang dày ~1-mm (ZnS-Ecoflex 00-30) kẹp giữa hai điện cực hdrogel PAM-LiCl  và được che phủ bởi hai lớp Ecoflex 00-30.

Các linh kiện HLEC cảm nhận được sự thay đổi về áp suất qua nguyên lí điện dung bị ảnh hưởng của diện tích điện cực và khoảng cách của các tụ điện. Ví dụ, khi vật liệu bị kéo dãn, điện dung tăng. Trong cấu tạo của HLEC, các điện cực hydrogel được thiết kế với một sự hài hòa giữa độ dẻo dai cơ cao (high mechanical toughness), độ ổn định cao và điện trở thấp khi chịu biến dạng. Aqueous lithium chloride (LiCl) được dùng như chất dẫn ion vì độ dẫn điện cao (~10 S m−1), bền và bản chất hút ẩm (hygroscopic nature) trong khi polyacrylamide (PAM) được dùng như nền đàn hồi vì độ dai cao và trong suốt về mặt quang học. Sự trùng khớp của đường cong biến dạng-áp lực (stress-strain curves) của HLEC và các lớp chứa Siicon (Ecoflex và Ecoflex-EL composite), trong khi modun đàn hồi của hydrogel thấp cho phép HLEC có thể kéo dãn tốt mà không bị tách lớp. Màn hình HLEC cũng được kiểm tra với nhiều loại biến dạng khác nhau như kéo dãn, cuộn tròn, gấp khúc và quấn lại.

Việc chế tạo thành công da nhân tạo này có thể được ứng dụng trong các robot có thể thay đổi hình dạng và hiển thị màu sắc. Nhưng ứng dụng hấp dẫn hơn cả là các hệ thống điện tử có thể kéo dãn được. Thử tưởng tượng một chiếc điện thoại di động có kích thước nhỏ nhưng khi chịu tác động có thể dãn ra đến kích thước của một chiếc tablet. Vì vậy nghiên cứu này là một bước tiến rất ấn tượng trong khoa học vật liệu và cơ học.     

Tác giả: Nguyễn Văn Tâm (NCS, Viện Công nghệ Kyoto, Nhật Bản)

Phản biện: Lê Văn Quyết (NCS, Đại học Chung-Ang, Hàn Quốc)

Tài liệu tham khảo

1.          Cordelia Sealy, Octopus-like skin has light touch, 11 May 2016, http://www.materialstoday.com/electronic-properties/news/octopus-like-skin-has-light-touch/

2.         C. Larson et al. Highly stretchable electroluminescent skin for optical signaling and tactile sensing, Science, 2016, 351, 6277. 

3.          S. A. Morin, R. F. Shepherd, S. W. Kwok, A. A. Stokes, A. Nemiroski, G. M. Whitesides, Camouflage and display for soft machines, Science, 2012, 337, 828–832.

4.         Q. Wang, G. R. Gossweiler, S. L. Craig, X. Zhao, Cephalopod-inspired design of electromechano-chemically responsive elastomers for on-demand fluorescent patterning, Nat. Commun. 2014, 5, 4899.

5.        P. E. Burrows, G. L. Graff, M. E. Gross, P. M. Martin, M. K. Shi, M. Hall, E. Mast, C. Bonham, W. Bennett, M. B. Sullivan, Ultra barrier flexible substrates for flat panel displays, Display. 2001, 22, 65-69.    

6.        T. Sekitani, H. Nakajima, H. Maeda, T. Fukushima, T. Aida, K. Hata, T. Someya, Stretchable active-matrix organic light-emitting diode display using printable elastic conductors, Nat. Mater.. 2009, 8, 494-499.

7.        J. Liang, L. Li, X. Niu, Z. Yu, Q. Pei, Elastomeric polymer light-emitting devices and displays., Nat. Photon. 2013, 7, 817-824.    

    

 

Category: