Печатные платы привычны, но у инженеров давно есть мечта о схемах, которые гнутся, растягиваются и переживают повреждения. Лаборатория VT MADE Lab Политехнического университета Виргинии (Virginia Tech) показала материал, который приближается к этому: проводящий композит на основе жидкого металла, пригодный для гибких схем, «умных» теплоотводов и самовосстанавливающихся проводников. Работу подробно разобрали в видеообзоре на YouTube-канале 3DPrintingNerd.
Из чего состоит материал
Основа композита — мельчайшие капли сплава галлия и индия. Такие сплавы остаются жидкими при комнатной температуре и при этом хорошо проводят и ток, и тепло. Капли распределены в матрице из PDMS — полидиметилсилоксана, то есть силиконового эластомера. В результате получается гибкий, тянущийся материал, внутри которого «законсервирован» жидкий металл.
Изолятор, пока не «активирован»
Любопытная особенность композита — в исходном состоянии он не проводит ток. Каждая капля металла окружена полимером, и цепочки между ними разорваны. Проводимость появляется только там, где капли-«пузырьки» лопаются: при усилии выше определённого порога или проколе оболочки металл вытекает, капли сливаются и образуют проводящую дорожку.
Отсюда и два главных свойства:
- Избирательная проводимость. Проводящие дорожки можно «прорисовать» в изначально изолирующем материале, продавив их в нужных местах.
- Самовосстановление. Если дорожку проткнуть или перерезать, соседние капли в зоне повреждения разрушаются и жидкий металл сам перекрывает разрыв — цепь снова замыкается. В демонстрации это видно наглядно: светодиод на такой схеме продолжает гореть после повреждения проводника.
Как из него делают изделия
По технологичности композит похож на многие другие материалы на основе смол. Его можно заливать, отливать в форму и даже печатать на 3D-принтере, получая нужную геометрию. После короткого запекания материал полимеризуется, и получается твёрдая (но эластичная) модель, готовая стать основой для гибкой схемы.
Процесс не назовёшь «домашним»: понадобятся химические реактивы, реакция полимеризации и аккуратность в обращении с жидкими сплавами. Тем не менее для лабораторий, мастерских прототипирования и энтузиастов гибкой электроники это вполне доступный путь.
Где это может пригодиться
- Гибкие и растяжимые схемы — для носимой электроники, датчиков на одежде и перчатках, мягкой робототехники, где жёсткая плата ломается при изгибе.
- Теплоотводы сложной формы — металл внутри композита проводит тепло, а сам материал можно отлить или напечатать по форме корпуса или детали.
- Живучие соединения — там, где проводник рискует быть порезан, проколот или многократно изогнут, способность «зашивать» разрыв повышает надёжность.
Что учитывать тем, кто захочет попробовать
Материал пока находится на стадии лабораторных демонстраций, поэтому стоит трезво оценивать ожидания:
- Жидкие сплавы галлия требуют аккуратности: работайте в перчатках, как в демонстрации, и держите их подальше от алюминиевых деталей и инструмента — галлий известен тем, что разрушает алюминий.
- Порог «активации» проводимости задаёт и практическое ограничение: сильное случайное давление может создать проводящий путь там, где он не нужен. Геометрию схемы и защиту изделия стоит продумывать с этим в виду.
- Для серийного применения важны долговременные испытания — стабильность при циклах изгиба, нагреве и старении силиконовой матрицы. Прежде чем закладывать такой материал в изделие, проверяйте его на собственных режимах эксплуатации.
Вывод
Композит из капель галлий-индиевого сплава в силиконе объединяет то, что редко встречается вместе: гибкость, электро- и теплопроводность, возможность печати по произвольной геометрии и способность восстанавливать цепь после повреждения. До массовой электроники путь ещё неблизкий, но как пример того, куда движется аддитивное производство функциональных материалов, разработка очень показательна.