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May 30, 2023

Usando un metal líquido solidificado para construir electrónica flexible en 3D

Artículo del 23 de febrero de 2023 Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han resaltado los siguientes atributos al tiempo que garantizan la calidad del contenido.

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

En los últimos años, ingenieros y científicos de materiales han intentado identificar materiales particularmente prometedores para crear componentes electrónicos flexibles de diferentes formas y tamaños. En última instancia, estos dispositivos electrónicos podrían integrarse en dispositivos portátiles (por ejemplo, relojes inteligentes y dispositivos médicos para monitorear señales biológicas), robots blandos y otros sistemas.

Entre los muchos tipos de materiales que podrían usarse para fabricar productos electrónicos estirables se encuentran los metales líquidos basados ​​en aleaciones de galio, que son esencialmente mezclas de metales que incluyen galio. Las aleaciones de galio líquido son intrínsecamente fluidas y altamente conductoras, dos propiedades ventajosas para la creación de componentes electrónicos blandos o flexibles.

Sin embargo, hasta ahora, construir circuitos tridimensionales (3D) utilizando cualquier metal líquido ha resultado un desafío. Esto ha puesto límites a las posibles estructuras que se pueden crear utilizando aleaciones de galio líquido, dificultando su uso generalizado para la creación de dispositivos electrónicos blandos y estirables.

Investigadores del Instituto de Tecnología de Harbin y la Academia de Ciencias de China fabricaron recientemente componentes electrónicos flexibles con circuitos 3D utilizando una aleación líquida de galio-indio. Su artículo, publicado en Nature Electronics, identifica una aleación de galio con cualidades adecuadas para desarrollar electrónica flexible, incluida una transición de fase sólido-líquido, resistencia mecánica y una buena plasticidad en su estado sólido.

"Demostramos que se puede utilizar una aleación de galio-indio para fabricar componentes electrónicos flexibles con circuitos 3D aprovechando la transición de fase sólido-líquido y la deformación plástica del metal líquido", escribieron Guoqiang Li y sus colegas en su artículo.

Para fabricar componentes electrónicos flexibles utilizando su aleación de galio-indio, Ga10In, los investigadores primero enfriaron una muestra masiva de la aleación a bajas temperaturas. Este proceso les permitió luego darle forma al material en alambres y láminas metálicas sólidas.

"A los alambres de aleación sólidos pero plásticamente deformables se les da forma de circuitos a bajas temperaturas (menos de 15 grados Celsius) y se encapsulan en un elastómero, antes de calentarlos por encima de su temperatura de fusión", explicaron Li y sus colegas en su artículo. "En consecuencia, el efecto de sobreenfriamiento permite que la aleación mantenga un estado líquido en un amplio rango de temperaturas, incluso por debajo del punto de fusión".

Al encapsular las estructuras prefabricadas de metal líquido en un elastómero y calentarlas por encima de los 22,7 grados centígrados, el equipo se aseguró de que estas estructuras recuperaran su fluidez. El proceso dio como resultado un metal líquido estirable que conduce electricidad y, por lo tanto, puede usarse para crear componentes electrónicos flexibles.

"Utilizamos la técnica para fabricar sensores de tensión de alta sensibilidad, arcos de interconexión tridimensionales para integrar una serie de diodos emisores de luz (LED) y un sensor portátil tridimensional y una placa de circuito flexible multicapa para monitorear el movimiento de los dedos", dijo el escribieron los investigadores en su artículo.

En las pruebas iniciales, las estructuras de aleación creadas por Li y sus colegas demostraron ser muy ventajosas para el desarrollo de electrónica flexible. Para demostrar sus posibles aplicaciones en electrónica, el equipo utilizó estas estructuras para crear diversos componentes electrónicos, incluido un sensor de tensión, interconexiones para la integración de LED y un sistema electrónico para monitorear los movimientos de los dedos.

En el futuro, la nueva estrategia propuesta para crear componentes electrónicos flexibles basados ​​en una aleación de galio-indio podría utilizarse para fabricar estructuras de metal líquido similares basadas en otras aleaciones y materiales. Además, las estructuras de aleación creadas por Li y sus colegas pronto podrían usarse para fabricar componentes electrónicos estirables, incluidos componentes para dispositivos portátiles y sistemas robóticos blandos.

Más información: Guoqiang Li et al, Electrónica flexible tridimensional que utiliza metal líquido solidificado con plasticidad regulada, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-022-00914-8.

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