นักวิจัยค้นพบกลไกโลหะเหลวสร้างเส้นทางนำไฟฟ้าในวัสดุเนื้อนิ่ม เปิดทางสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่น
นักวิจัยค้นพบกลไกโลหะเหลวสร้างเส้นทางนำไฟฟ้าในวัสดุเนื้อนิ่ม เปิดทางสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่น
โลหะเหลวที่อุณหภูมิห้อง สร้างเส้นทางนำไฟฟ้าได้อย่างไร?
วัสดุที่ทีมวิจัยนำมาใช้เป็นโลหะผสม Eutectic Gallium-Indium ซึ่งมีสถานะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง โดยเมื่อมองในระดับจุลภาคจะมีลักษณะเป็นหยดโลหะขนาดเล็กจำนวนมาก หยดโลหะเหล่านี้ถูกฝังอยู่ภายในวัสดุเนื้อนิ่ม เช่น พอลิเมอร์หรือยาง ซึ่งทำหน้าที่ช่วยยึดหยดโลหะให้อยู่กับที่ อย่างไรก็ตาม วัสดุที่ห่อหุ้มโลหะยังแทรกอยู่ระหว่างหยดโลหะแต่ละจุด ทำให้กระแสไฟฟ้าไม่สามารถไหลผ่านได้โดยตรง สิ่งที่ทีมวิจัยค้นพบคือ เมื่อออกแรงกดลงบนวัสดุ เนื้อวัสดุที่อยู่ระหว่างหยดโลหะใกล้เคียงกันจะเกิดรอยแตกขนาดเล็ก เปิดช่องให้โลหะเหลวไหลผ่านและเชื่อมต่อกันเป็นเส้นทางนำไฟฟ้า ที่น่าสนใจคือ เมื่อปล่อยแรงกดออก โลหะยังคงอยู่ภายในรอยแตกเหล่านั้น ทำให้เส้นทางนำไฟฟ้ายังคงอยู่และสามารถส่งผ่านกระแสไฟฟ้าได้ใช้กล้องจุลทรรศน์และเอกซเรย์ 3 มิติ วิเคราะห์การเกิดวงจร
ทีมวิจัยใช้กล้องจุลทรรศน์และเทคนิคการถ่ายภาพเอกซเรย์ 3 มิติ เพื่อสังเกตพฤติกรรมของโลหะเหลวภายในวัสดุภายใต้สภาวะแรงกดที่แตกต่างกัน ผลการศึกษาช่วยให้ทีมสามารถติดตามการเกิดรอยแตกและการเคลื่อนที่ของโลหะเหลวได้ทั้งในสองมิติและสามมิติ ทำให้เข้าใจมากขึ้นว่าเส้นทางนำไฟฟ้าเฉพาะจุดเชื่อมโยงกันจนกลายเป็นเครือข่ายขนาดใหญ่ได้อย่างไร นอกจากนี้ นักวิจัยยังพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อคาดการณ์ว่าต้องใช้แรงมากเพียงใดจึงจะทำให้วัสดุเริ่มนำไฟฟ้า โดยแบบจำลองสามารถใช้กับการออกแบบที่มีขนาดหยดโลหะแตกต่างกัน ตั้งแต่ระดับมิลลิเมตรไปจนถึงระดับเพียงไม่กี่สิบไมโครเมตรต่อยอดสู่เซนเซอร์ อุปกรณ์สวมใส่ และหุ่นยนต์ชนิดนิ่ม
การค้นพบครั้งนี้ช่วยเพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับการออกแบบวัสดุคอมโพสิตโลหะเหลว โดยเฉพาะการควบคุมตำแหน่งและเงื่อนไขที่ทำให้เกิดเครือข่ายนำไฟฟ้าภายในวัสดุ เทคโนโลยีดังกล่าวมีศักยภาพสำหรับการพัฒนาเซนเซอร์แบบยืดหยุ่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวมใส่ และหุ่นยนต์ชนิดนิ่ม ซึ่งต้องอาศัยวัสดุที่สามารถเปลี่ยนรูป งอ หรือยืดตัวได้ ขณะเดียวกันยังต้องรักษาความสามารถในการนำไฟฟ้า Michael Bartlett ระบุว่า ความเข้าใจเกี่ยวกับการก่อตัวของเครือข่ายนำไฟฟ้าจะช่วยให้นักวิจัยสามารถนำข้อมูลไปใช้ในการออกแบบวัสดุและกระบวนการผลิตได้ดียิ่งขึ้น โดยอาจเปิดโอกาสให้สร้างระบบอิเล็กทรอนิกส์แบบนิ่มที่สามารถกำหนดคุณสมบัติการนำไฟฟ้าได้ผ่านโครงสร้างของวัสดุและวิธีการแปรรูป งานวิจัยนี้ร่วมเขียนโดย Wuzhou Zu และ Hugh P. Grennan นักศึกษาระดับปริญญาเอก และได้รับการเผยแพร่ในวารสาร Matter ที่มา: Virginia Tech
