リコンフィギャラブル エレクトロニクスでの MXene インターフェイスの妨害

ジャーナルへの掲載が受理された論文 先端材料 は、二次元の炭化チタン MXene ナノ構造の自己組織化を使用した、液体のみの再構成可能な電子機器の製造を報告しています。

勉強: Jammed MXene インターフェイスを使用した全液体再構成可能電子機器。 画像著作権: Marko Aliaksandr/Shutterstock.com

ソリッド ステート コンポーネントは電子デバイスの既存の標準ですが、生産後の適応性が限られており、寿命を終えた効果的な廃棄に大きな課題をもたらします。 全液体電子機器は、単純な液相化学を使用することで、寿命が尽きたときに電気部品の柔軟な再構成と分離を提供することにより、これらの制限を超える可能性があります。

ソリッドステート エレクトロニクス: 概要とリサイクル可能性の課題

現代の電子機器は、ほぼ完全に固体部品 (硬い薄膜コンデンサ、半導体検出器、金属ワイヤ インターリンク、トランジスタなど) に依存しています。

これらの固体素子は、現在の電子システムの統合の可能性を向上させますが、調整可能性や​​再生可能性の低下など、新たな障害ももたらします。 電子廃棄物からの限られた供給量のミネラルの抽出は、発展しつつある世界的な問題です。

固体電子機器の剛性は、物理的および時間的な安定性をもたらしますが、この安定性は、これらの電子機器の完全なライフサイクル再利用に対する主要な不利益としても機能します。 柔軟なポリマー プラットフォームを使用した最近の多くの研究は、ウェアラブルで適応可能な電子機器などのアプリケーションの利点を提供していますが、これらの再構成可能性または再生可能性の問題に取り組むには何もしていません。

複合材料やヒドロゲルなどの他の技術は、強力な粒子間力と静電引力を利用して、優れた調整可能性を提供します。 ただし、これらのデバイスの高度に相互接続されたアーキテクチャにより、寿命が尽きたときに要素を分離することが不可能になる可能性があり、マテリアル リサイクルに大きな影響を与えます。

二相性界面での電気測定の概略図。  2 プローブ構成 (A) では、有機配位子溶液 (黄色) が MXene 水溶液分散液 (青色) の上に穏やかに重ねられます。 しばらくすると、プローブの周囲に界面膜が自己組織化され、膜を介した電気浸透が可能になります。  4 プローブ構成 (B) では、平行板を使用して、中央の電圧プローブによって検出できる均一な電流の流れを作成し、シート コンダクタンスの測定を可能にします。 回路図 (C) は、初期の実験セットアップの理想化された描写を提供します。 ブチルアミン配位子を含む液体トルエン (黄色) は、MXene ナノ粒子を含む水 (青色) の上に堆積します。 導電性 MXenes は界面で自己集合し、詰まった導電性シートを形成します。 電気的特性は、シートを貫通する金電極を介してプローブされます。 ブチルアミンは水に混和するため、時間の経過とともに一部のブチルアミンが水相に拡散すると予想されますが、これが詰まったシートの比較的堅牢な特性または電気的特性に影響を与えるという証拠はありません。

二相性界面での電気測定の概略図。 2 プローブ構成 (A) では、有機配位子溶液 (黄色) が MXene 水溶液分散液 (青色) の上に穏やかに重ねられます。 しばらくすると、プローブの周囲に界面膜が自己組織化され、膜を介した電気浸透が可能になります。 4 プローブ構成 (B) では、平行板を使用して、中央の電圧プローブによって検出できる均一な電流の流れを作成し、シート コンダクタンスの測定を可能にします。 回路図 (C) は、初期の実験セットアップの理想化された描写を提供します。 ブチルアミン配位子を含む液体トルエン (黄色) は、MXene ナノ粒子を含む水 (青色) の上に堆積します。 導電性 MXenes は界面で自己集合し、詰まった導電性シートを形成します。 電気的特性は、シートを貫通する金電極を介してプローブされます。 ブチルアミンは水に混和するため、時間の経過とともに一部のブチルアミンが水相に拡散すると予想されますが、これが詰まったシートの比較的堅牢な特性または電気的特性に影響を与えるという証拠はありません。 画像クレジット: Popple, D. et al., Advanced Materials

液体エレクトロニクスの重要性と限界

全液体電気デバイスおよびシステムの開発は、固体エレクトロニクスに関連する前述の問題を解決するための、魅力的ではあるがほとんど未踏の戦略を提供します。 液体エレクトロニクスに関するこれまでの研究は、室温の液体金属を利用した回路と基本的な経路の実証に集中してきました。

これらの技術は、効果的な電気伝送のために液体金属合金の金属特性を利用し、多くの場合、デバイスをポリマーでカプセル化して、使用可能なフォームファクタを提供します。 有望ではあるものの、そのような設計は、デバイスに形状を与えるために固体プラットフォームまたは封入媒体を必要とする従来のソリッドステート電子レイアウトを引き続き使用しています。

さらに、室温の液体金属は一般にガリウムおよびインジウム合金に限定され、いくつかの欠点があります。 結果として、固体プラットフォームの制約を回避しながら電気伝送を可能にする代替材料ソリューションを作成するには、かなりの努力が必要です。

全液体再構成可能エレクトロニクスの製造のための MXenes

ナノ粒子を使用して構築された電気的マトリックス インターフェースの作成は、詰まったときに堅牢な導電性を作成することは、液体状態のアプリケーションの基本です。 MXene ナノ粒子は、その高い電気伝導性、湿潤性、および配位子の近くの油水障壁での自己組織化の収益性のために、この目的に適した候補です。

MXenes は、二次元の無機化学グループです。 これらの材料は、遷移金属の窒化物、炭化物、または炭窒化物の薄い層で構成されています。 MXenes は、遷移金属カーバイドの金属コンダクタンスを、ヒドロキシルまたは酸素で終端された界面により、親水性の特性と統合できます。

この研究では、研究者は、ブチルアミン配位子で機能化された MXene ナノシートを使用して、絶縁性液体内に電子部品と回路を構築しました。 MXene ナノシートは電気的に自己集合し、液体と液体の界面で詰まり、チャネルを形成します。 トルエンに吸収されたブチルアミン配位子は、液体MXeneナノシートと反応し、トルエン-水界面で凝集します。

二相界面で詰まったMXeneナノ粒子の室温電気伝導度測定。 コンダクタンス対時間のプロット (A) は、さまざまな濃度の MXene 分散液によって形成された MXene フィルムの平衡を示しています。 このプロットでは、リガンドは時間ごとに追加されます

二相界面で詰まったMXeneナノ粒子の室温電気伝導度測定。 コンダクタンス対時間のプロット (A) は、さまざまな濃度の MXene 分散液によって形成された MXene フィルムの平衡を示しています。 このプロットでは、配位子は時間 t=0 で追加され、15 分間の平衡の開始をマークします。 MXene 濃度に対するシートのコンダクタンスと膜厚のプロット (B) は、5 mg/mL の高 MXene 濃度でのコンダクタンスと厚さの両方の飽和を示しています。 破線は式の適合です。 (1) コンダクタンス データ (本文を参照)。 画像クレジット: Popple, D. et al., Advanced Materials

現在の研究の主な進展

調製されたままの液体エレクトロニクスは、MXene ナノシートの優れたコンダクタンスと、構造化された液体のプログラム可能な形状と適応性を兼ね備えています。 MXene ナノシートは、この研究で使用された実証材料として使用されましたが、階層的な液体エレクトロニクスの化学組成は堅牢であり、さまざまな材料に適合させることができます。

さらに、準備された液体エレクトロニクスに固有の柔軟性により、新しいハード回路を最初から製造するのではなく、回路を簡単に再構築できます。

全液体不揮発性光検出器。  (A) 平衡化された MXene ワイヤに 432 nm レーザーをさまざまな時間照射したときの、時間に対するコンダクタンスの変化のプロット。 このプロットでは、レーザー照射は

全液体不揮発性光検出器。 (A) 平衡化された MXene ワイヤに 432 nm レーザーをさまざまな時間照射したときの、時間に対するコンダクタンスの変化のプロット。 このプロットでは、レーザー照射は t=0 で始まり、15、30、または 60 秒間続きます。 このデバイスは、レーザー照射の不揮発性記録として機能します。 レーザー処理は、MXene ワイヤの特定の抵抗を「ダイヤルイン」するためにも使用できるため、抵抗コンポーネントを再現可能に作成できます。 コンダクタンス (B) の増加に対するレーザー照射時間の影響は、ワイヤの抵抗を調整するためにさまざまな照射時間を使用できることを示しています。 漫画の模式図 (C) は、レーザー照射が付着した配位子をどのように置き換え、それによって MXene シートを近づけ、プリント ワイヤのコンダクタンスを永続的に増加させるかを示しています。 画像クレジット: Popple, D. et al., Advanced Materials

この技術を家庭用電化製品に実装するには、予想される耐久性と寿命に対処するための追加の技術ソリューションが必要になると懸念されています。 これらのソリューションには、カプセル化、酸素グラバーの組み込み、粘弾性設計などがあります。 それにもかかわらず、この論文で説明されている技術は、液体電気部品の開発のためのフレームワークを設定します。

さらに、化学物質がチューブを下って界面膜を横切って流れることを可能にしながらジャンクションまたはパイプを帯電させる能力は、特に製品と基板が異なる極性溶媒を好む状況で、多くのマイクロ流体デバイスで使用される可能性があります。

参照

Popple、D.ら。 (2022)。 デレク・ポップル; ミハイル・シェヒレフ; Chunhui Dai; ポール・キム; キャサリン・シャオシン・ワン; ポール・アシュビー; ブレット・A・ヘルムズ; ユーリ・ゴゴシ; トーマス・P・ラッセル; アレックス・ゼットル 先端材料. Jammed MXene インターフェイスを使用した全液体再構成可能電子機器 https://doi.org/10.1002/adma.202208148

免責事項: ここに記載されている見解は、著者の私的な立場で表明されたものであり、必ずしもこの Web サイトの所有者および運営者である AZoM.com Limited T/A AZoNetwork の見解を表すものではありません。 この免責事項は、この Web サイトの使用条件の一部を構成します。

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *