Исследователи Томского политехнического университета совместно с коллегами из зарубежных университетов разработали подход, позволяющий интегрировать металл в полимеры с помощью прямого лазерного воздействия и таким образом создавать электропроводящие композиты.
Результаты работы представлены в статье Ultra-Robust Flexible Electronics by Laser-Driven Polymer-Nanomaterials Integration, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials.
«Развивающиеся сейчас революционные технологии, такие как интернет вещей, гибкая электроника, нейрокомпьютерные интерфейсы, в ближайшие несколько лет станут оказывать значительное влияние на общество. Разработка таких технологий требует принципиально новых материалов, демонстрирующих превосходную механическую, химическую и электрическую стабильность, сравнительно низкую стоимость для использования их в крупных масштабах, а для некоторых применений ещё и биосовместимость. Наибольший интерес представляют полимерные материалы, например, широко используемый в мире полиэтилентерефталат (ПЭТ). Однако традиционные методы модификации полимерных материалов для придания им необходимых функций, как правило, изменяют проводимость всего объёма полимера, что значительно ограничивает применимость для сложных трёхмерных топологий», — говорит профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес.
Предложен новый подход — сначала на подложки из ПЭТа осаждаются наночастицы алюминия, затем образцы облучаются лазерными импульсами. В облученных областях происходит локальное формирование проводящего композита. Алюминий исследователи выбрали потому, что это недорогой и доступный металл. Зачастую в качестве проводника для гибкой электроники используются серебро. Поэтому полученные образцы с наночастицами алюминия сравнивались с серебряной проводящей пастой и материалами на основе графена.
«В испытаниях на механическую стабильность (тест на истирание, ударное воздействие, устойчивость на изгиб) композиты на основе алюминиевых наночастиц превосходят другие материалы. Кроме того, сама структура материала оказалась очень интересной. Во время обработки лазером на поверхности образцов образуется карбид алюминия, и, более того, в присутствии полимера происходит формирование графеноподобных углеродных структур. Этого эффекта мы не ожидали. К тому же, регулируя мощность лазера, мы можем контролировать проводимость материала. По сути, с помощью лазера можно «нарисовать» практически любую проводящую структуру на поверхности полимера, сделать его локально проводящим», — поясняет профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Евгения Шеремет.
Лазерная интеграция металлов в полимер, по словам учёных, была применена впервые в области гибкой электроники. Существуют подходы на основе «взрыва» металла лазером и его внедрения в полимер на большой скорости, но они более сложные, с точки зрения реализации. Свежий метод включает два основных технологических шага: нанесение наночастиц на поверхность полимера и обработку лазером. При этом подход применим к самым разным материалам.
Получение нового композитного материала.
«Для чего это может быть использовано? Во-первых, для гибкой электроники. Одна из проблем этого направления — низкая механическая стабильность изделий. Есть достаточно много подходов к тому, как её можно улучшить. Но, как правило, полученные материалы не выдержали бы тестов, которые мы провели. Также среди возможных областей применения фотокатализ, гибкие сенсоры для робототехники, светодиоды, изделия биомедицинского назначения», — поясняют авторы статьи.
Следующий шаг научной группы — проверить новый подход на других материалах, например, серебре, меди, углеродных трубках, использовать различные полимеры.
В исследовании приняли участие представители Томского политехнического университета, Китайского университета электронных наук и технологий, Института исследований полимеров им. Лейбница в Дрездене, а также Университета Амстердама.