חומר אלקטרוני גמיש המתקן את עצמו

בעבר, חוקרים הצליחו ליצור חומרים המתקנים את עצמם ואשר מסוגלים לשחזר פונקציה מסוימת מהתפקוד שלהם לאחר קריעתם, אולם, השחזור של כל הפונקציות חיוני ליצירת רכיבי אלקטרוניקה לבישים שיהיו גם יעילים

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]
חומר אלקטרוני חדשני מסוגל לחדש אוטומטית את כל הפונקציות שלו, אפילו לאחר קריעתו מספר פעמים. החומר יוכל לשפר את יציבותם של התקני אלקטרוניקה לבישים וגמישים.
חומרים אלקטרוניים מהווים מכשלה גדולה בהתפתחותם של התקני אלקטרוניקה גמישים מאחר וחומרים קיימים אינם פועלים כראוי לאחר קריעתם ותיקונם מחדש. “התקני אלקטרוניקה לבישים וברי-כיפוף חשופים לעיוותים מכניים במהלך תקופת חייהם, עיוותים העלולים להרוס או לשבור אותם”, אומרQing Wang, פרופסור למדעי החומרים וההנדסה באוניברסיטת המדינה של פנסילבניה (Penn State). “רצינו למצוא חומר אלקטרוני שיוכל לתקן את עצמו כך שישוקמו כל התפקודים שלו, וזאת גם לאחר קריעתו פעמים רבות”. חומרים המתקנים את עצמם הם חומרים המסוגלים לתקן את עצמם באופן טבעי, ללא כל השפעה חיצונית, לאחר עיוות פיזי כדוגמת חיתוכו לשניים.

בעבר, חוקרים הצליחו ליצור חומרים המתקנים את עצמם ואשר מסוגלים לשחזר פונקציה מסוימת מהתפקוד שלהם לאחר קריעתם, אולם, השחזור של כל הפונקציות חיוני ליצירת רכיבי אלקטרוניקה לבישים שיהיו גם יעילים. למשל, אם חומר מבודד משמר את תכונת ההתנגדות החשמלית שלו לאחר תיקון עצמי אולם הוא לא מסוגל לשמר את תכונת המוליכות התרמית שלו, אזי יתהווה סיכון להתחממות יתר של הרכיבים. החומר שהחוקרים יצרו מצליח לשחזר את התכונות הנדרשות לפעילותו כחומר מבודד ברכיבי אלקטרוניקה לבישים – חוזק מכאני, חוזק שבירה מפני לחצים, התנגדות חשמלית, מוליכות תרמית ותכונות בידוד. ממצאי המחקר פורסמו זה מכבר בכתב-העת המדעי Advanced Functional Materials.
רוב החומרים המסוגלים לתקן את עצמם הינם חומרים רכים או דמוי-גומי, אמר החוקר, אולם החומר החדש שלהם קשיח מאוד. החוקרים הוסיפו ננו-יריעות של בור ניטריד לחומר בסיסי העשוי מפולימר פלסטיק. בדומה לחומר גרפן, ננו-יריעות של בור ניטריד הינן דו-ממדיות, אך במקום להוליך חשמל כפי שעושה גרפן, הן מבודדות.

“רוב המחקר אודות חומרי אלקטרוניקה המתקנים את עצמם התמקד במוליכות חשמלית תוך התעלמות מתכונת הבידוד החשמלי,” אמר החוקר הראשי. “אכן, אנו נדרשים לרכיבים מוליכים בתוך מעגלים חשמליים, אולם אנו נדרשים גם לרכיבי בידוד”. החומר מסוגל לתקן את עצמו בזכות העובדה כי ננו-יריעות הבור ניטריד קשורות אחת לשנייה באמצעות קשרי מימן. כאשר שתי יריעות מתקרבות אחת כלפי השנייה, יחסי המשיכה האלקטרוסטטיים הטבעיים ביניהן מחברות אותן עוד יותר. כאשר משחזרים את קשרי המימן, שתי היריעות משתקמות. כתלות בריכוז של ננו-יריעות הבור ניטריד שהוספו לפולימר, תכונת תיקון עצמי זו עשויה לחייב שימוש בחום או בלחץ להפעלתה, אולם – צורות מסוימות של החומר החדש יכולות לבצע זאת אפילו בטמפרטורת החדר פשוט על ידי קירוב שתי הפיסות. בניגוד לחומרים אחרים מבוססי קשרי מימן המסוגלים לתקן את עצמם, ננו-יריעות של בור ניטריד בלתי חדירות ללחות. משמעות הדבר כי התקנים העושים שימוש בחומרים מבודדים כאלו יוכלו לפעול באופן יעיל גם באזורים עם לחות גבוהה, למשל – מקלחות, בריכות וחופי ים. “זוהי הפעם הראשונה שחומר המתקן את עצמו מסוגל לשקם את כל התכונות הרבות הטמונות בו גם לאחר קריעתו מספר פעמים, תכונה חשובה שתוכל לשמש במגוון רחב של יישומים”, אמר החוקר הראשי.

הידיעה על המחקר