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Un artículo aceptado para su publicación en la revista. Materiales avanzados informa sobre la fabricación solo líquido de componentes electrónicos reconfigurables mediante el autoensamblaje de nanoestructuras bidimensionales de carburo de titanio MXene.
Aprender: Electrónica reconfigurable totalmente líquida con interfaces MXene bloqueadas. Crédito: Marko Aliaksandr/Shutterstock.com
Los componentes de estado sólido son el estándar establecido para los dispositivos electrónicos, pero poseen una adaptabilidad de posproducción limitada y presentan desafíos significativos para la eliminación efectiva al final de su vida útil. reconfiguración y separación de componentes eléctricos habilitada mediante el uso de química simple en fase líquida.
Electrónica de estado sólido: descripción general y desafíos de reciclabilidad
La electrónica moderna depende casi exclusivamente de partes de estado sólido, como B. capacitores rígidos de película delgada, detectores de semiconductores, conexiones de cables metálicos y transistores.
Si bien estos dispositivos de estado sólido mejoran el potencial de integración de los sistemas electrónicos actuales, también introducen nuevos obstáculos, como B. Capacidad de sintonización y renovación reducidas. La extracción de minerales finitos de los desechos electrónicos es un problema global emergente.
La rigidez de la electrónica de estado sólido da como resultado una estabilidad física y temporal, pero esta estabilidad también representa un gran inconveniente para la reutilización de esta electrónica a lo largo de su ciclo de vida. Aunque muchos estudios recientes con plataformas de polímeros flexibles ofrecen ventajas de aplicación, como electrónica portátil y adaptable, no hacen nada para abordar estos problemas de reconfigurabilidad o renovación.
Otras técnicas, como los compuestos o los hidrogeles, utilizan fuertes fuerzas entre partículas y atracción electrostática para proporcionar una capacidad de ajuste notable. Sin embargo, la arquitectura altamente interconectada de estos dispositivos puede hacer que sea imposible separar los elementos al final de su vida útil, lo que dificulta significativamente el reciclaje de materiales.
Esquema de las medidas eléctricas en una interfaz bifásica. En la configuración de 2 sondas (A), la solución de ligando orgánico (amarillo) se coloca cuidadosamente sobre la dispersión acuosa de MXene (azul). Después de un breve período de tiempo, se acumula una película de interfaz alrededor de las sondas, lo que permite la filtración eléctrica a través de la película. En la configuración de 4 sondas (B), se utilizan placas paralelas para crear un flujo de corriente uniforme que las sondas de voltaje centrales pueden detectar, lo que permite determinar la conductividad de la hoja. Un esquema (C) proporciona una representación idealizada de la configuración experimental inicial. El tolueno líquido (amarillo) con ligandos de butilamina se deposita sobre agua (azul) con nanopartículas MXene. Los MXenes conductores se autoensamblan en la interfaz para formar una capa eléctricamente conductora atrapada. Las propiedades eléctricas se escanean mediante electrodos de oro que perforan la lámina de metal. Debido a la miscibilidad de la butilamina en agua, se espera que algo de butilamina se difunda en la fase acuosa con el tiempo, pero no vemos evidencia de que esto afecte las propiedades estructurales o eléctricas relativamente sólidas de la lámina conductora atrapada. Crédito de la foto: Popple, D. et al., Materiales avanzados
Importancia y limitaciones de la electrónica en estado líquido
El desarrollo de dispositivos y sistemas eléctricos totalmente líquidos ofrece una estrategia atractiva pero en gran parte inexplorada para resolver los problemas anteriores asociados con la electrónica de estado sólido. Investigaciones anteriores sobre electrónica en estado líquido se centraron en demostrar circuitos y vías fundamentales utilizando metales que son líquidos a temperatura ambiente.
Estas técnicas aprovechan las propiedades metálicas de las aleaciones de metales líquidos para una transmisión eléctrica eficaz y, a menudo, encapsulan los dispositivos en polímeros para darles un factor de forma utilizable. Dichos diseños, aunque prometedores, siguen utilizando diseños electrónicos tradicionales de estado sólido que requieren una plataforma sólida o un medio envolvente para dar forma al dispositivo.
Además, los metales líquidos a temperatura ambiente generalmente se limitan a aleaciones de galio e indio con varias desventajas. Como resultado, se requiere un esfuerzo significativo para crear soluciones de materiales alternativos que permitan la transmisión eléctrica y eviten las limitaciones de las plataformas fijas.
MXenes para hacer electrónica reconfigurable totalmente fluida
La creación de una interfaz conductora de electricidad a partir de nanopartículas, que cuando se bloquean forman una matriz conductora robusta, es fundamental para las aplicaciones electrónicas en estado líquido. Las nanopartículas MXene son candidatas adecuadas para este propósito debido a su alta conductividad eléctrica, humectabilidad y propensión a autoensamblarse en las barreras de agua y aceite en la vecindad de un ligando.
Los MXenes son un grupo químico inorgánico bidimensional. Estos materiales consisten en capas delgadas de nitruros, carburos o carbonitruros de metales de transición. MXenes puede integrar la conductividad metálica de los carburos de metales de transición con carácter hidrofílico debido a sus interfaces terminadas en hidroxilo u oxígeno.
En este estudio, los investigadores construyeron circuitos y componentes electrónicos en líquidos aislantes utilizando nanoláminas MXene funcionalizadas con un ligando de butilamina. Las nanoláminas MXene eléctricamente conductoras se autoensamblan y se conectan en las interfaces líquido-líquido para formar canales conductores. Los ligandos de butilamina absorbidos en tolueno reaccionan con nanoláminas de MXene líquidas y se agregan en la interfaz tolueno-agua.
Mediciones de conductividad eléctrica a temperatura ambiente de nanopartículas MXene pellizcadas en una interfaz bifásica. Una gráfica de conductividad versus tiempo (A) muestra el equilibrio de las películas de MXene formadas por concentraciones variables de la dispersión de MXene. En este gráfico, los ligandos se agregan en el momento t=0, lo que marca el comienzo del equilibrio de 15 minutos. Un gráfico de la conductividad y el grosor de la película frente a la concentración de MXene (B) muestra la saturación tanto de la conductividad como del grosor a altas concentraciones de MXene de 5 mg/ml. La línea discontinua es un ajuste de la Ec. (1) a los datos de conductancia (ver texto principal). Crédito de la foto: Popple, D. et al., Materiales avanzados
Desarrollos clave en la investigación actual
La electrónica líquida resultante combina la excelente conductividad de las nanoláminas MXene con la forma programable y la adaptabilidad de los líquidos estructurados. Aunque las nanoláminas MXene se utilizaron como materiales de demostración en este estudio, la composición química de la electrónica líquida jerárquica es robusta y se puede adaptar a diferentes materiales conductores.
Además, la flexibilidad inherente a la electrónica líquida así fabricada permite que los circuitos se reconstruyan fácilmente en lugar de fabricar nuevos circuitos fijos desde cero.
Fotodetector no volátil totalmente líquido. (A) Gráfico del cambio en la conductancia frente al tiempo cuando los cables MXene equilibrados se irradian con un láser de 432 nm durante diferentes períodos de tiempo. En este diagrama, la exposición al láser comienza en t = 0 y dura 15, 30 o 60 s. Este dispositivo sirve como un registro no volátil de la exposición al láser. El tratamiento con láser también se puede usar para «marcar» una resistencia específica para el cable MXene, creando componentes resistivos reproducibles. El efecto de la duración de la exposición al láser sobre el aumento de la conductividad (B) muestra que se pueden usar diferentes tiempos de exposición para adaptar la resistencia del cable. El esquema de dibujos animados (C) muestra un posible escenario de cómo la irradiación láser desplaza los ligandos unidos, acercando las hojas de MXene y aumentando permanentemente la conductividad del cable impreso. Crédito de la foto: Popple, D. et al., Materiales avanzados
Es cierto que la implementación de esta técnica en la electrónica de consumo requeriría soluciones técnicas adicionales para abordar los problemas de resistencia y longevidad proyectados. Algunas de estas soluciones incluyen encapsulación, incorporación de captadores de oxígeno y diseño viscoelástico. No obstante, la técnica descrita en este artículo proporciona el marco para el desarrollo de componentes eléctricos líquidos.
Además, la capacidad de electrificar una unión o tubo mientras permite que los productos químicos fluyan por el tubo y a través de las membranas interfaciales puede ser útil en muchos dispositivos de microfluidos, particularmente en situaciones donde los productos y sustratos prefieren solventes de diferente polaridad.
Relación
Popple, D. et al. (2022). Derek Popple; Mijail Shekhirev; Chunhui Dai; Pablo Kim; Katherine Xiaoxin Wang; Pablo Ashby; Brett A Helms; Yuri Gogotsi; Thomas P.Russell; Alex Zettl. Materiales avanzados. Electrónica reconfigurable totalmente líquida que utiliza interfaces MXene bloqueadas Disponible en: https://doi.org/10.1002/adma.202208148
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