گامی بلند در توسعه الکترونیک انعطاف‌پذیر با هیدروژل‌های خودترمیم شونده

به گزارش خبرنگار گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا، در سال های اخیر الکترونیک انعطاف پذیر که می تواند عملکرد خود را در شرایط مختلف مانند خم شدن،تا شدن یا کشش حفظ کند، پیشرفت های چشمگیری داشته است. این وسایل الکترونیکی به طیف گسترده ای از کاربردها، از جمله حسگرهای انعطاف پذیر برای نظارت بر تغییرات فیزیکی و شیمیایی، دستگاه های برداشت انرژی برای تبدیل انرژی مکانیکی یا حرارتی به انرژی الکتریکی، دستگاه های ذخیره انرژی انعطاف پذیر مانند باتری ها و ابرخازن ها، ترانزیستورهای انعطاف پذیرو صفحه نمایش های انعطاف پذیردر گوشی های هوشمند و دستگاه های پوشیدنی گسترش یافته اند.

اخیرا هیدروژل ها به عنوان یک نامزد امیدوارکننده برای توسعه بیوالکترونیک ظاهر شده اند، که بافت های بیولوژیکی زنده را با سیستم های الکترونیکی مصنوعی پیوند می دهد. این هیدروژل ها خواص مکانیکی، شیمیایی و نوری بافت های بیولوژیکی را تقلید می کنند از این رو برای استفاده در دستگاه های الکترونیکی انعطاف پذیر ایده آل می کند.

هیدروژل‌ها نرم، خم‌شونده، قابل کشش هستند و به دلیل تطبیق‌پذیری در مهندسی مکانیک و زیست عملکردی، دارای خواص خود ترمیمی هستند. در نتیجه، قطعات الکترونیکی انعطاف‌پذیر مبتنی بر هیدروژل نسبت به اجزای الکترونیکی سنتی که اغلب سفت، خشک یا ناسازگار با بافت‌های انسانی هستند، بهتر می‌توانند با بافت‌ها و ارگانیسم‌های بیولوژیکی مطابقت داشته باشند و با آن‌ها تعامل داشته باشند.

در این زمینه، آخرین روش‌ها برای سنتز هیدروژل‌های کاربردی و کاربردهای آن‌ها در زمینه‌های مختلف در Advanced Materials ("الکترونیک انعطاف‌پذیر مبتنی بر هیدروژل") بررسی شده‌اند که رابطه بین خواص هیدروژل و عملکرد دستگاه را برجسته می‌کند. این درک می تواند راه را برای توسعه بیشتر الکترونیک انعطاف پذیر با استفاده از هیدروژل های سازگار با محیط زیست هموار کند.

این مطالعه یک نمای کلی از هیدروژل‌ها، رویکردهای تقویت عملکرد هیدروژن و کاربردهای الکترونیک انعطاف‌پذیر مبتنی بر هیدروژل مانند حسگرها، دستگاه‌های جمع‌آوری و ذخیره انرژی، محرک‌ها، ترانزیستورها، محافظ الکترومغناطیسی، صفحه‌نمایش‌های لمسی و دستگاه‌هایی برای انتشار کنترل‌شده دارو ارائه می‌دهد.
تحقیقات اخیر درحوزه  الکترونیک انعطاف پذیر مبتنی بر هیدروژل در درجه اول بر غلبه بر محدودیت های ذاتی آنها متمرکز شده است. یکی از محدودیت های اصلی رسانایی ضعیف آنهاست که چاپ مستقیم مدارها روی هیدروژل ها را چالش برانگیز می کند. برای پرداختن به این موضوع، محققان رویکردهای مختلفی مانند ترکیب پرکننده ها یا مواد ناخالص رسانا، انتخاب هیدروژل های ساخته شده از پلیمرهای رسانا، و معرفی یک استراتژی شبکه دوگانه که عناصر رسانا و غیر رسانا را در ساختار هیدروژل ترکیب می کند، بررسی کرده اند.
چالش دیگر ضعف مکانیکی هیدروژل ها است که می تواند دوام و عملکرد آنها را در الکترونیک انعطاف پذیر محدود کند. برای بهبود خواص مکانیکی، محققان با افزودن پرکننده‌ها یا ناخالصی‌ها برای افزایش استحکام هیدروژل، استفاده از پلتفرم‌های اتلاف انرژی برای توزیع مؤثرتر استرس، استفاده از مواد ناهمسانگردی که خواص متفاوتی را در جهات مختلف از خود نشان می‌دهند، و استفاده از سیستم‌های ترکیبی که چندین ماده را ترکیب می‌کنند، آزمایش کرده‌اند.
قابلیت خوددرمانی یک پارامتر حیاتی برای پوست های الکترونیکی است که می تواند حس لامسه را تقلید کند و علائم حیاتی را زیر نظر بگیرد. روش‌های مختلفی برای تحقق خودترمیمی در هیدروژل‌ها مورد بررسی قرار گرفته‌اند که می‌توان آنها را در دو رویکرد عمده دسته‌بندی کرد: آن‌هایی که مبتنی بر پیوندهای کووالانسی پویا هستند که می‌توانند به‌طور برگشت‌پذیر تشکیل شوند و بشکنند، و آن‌هایی که مبتنی بر پیوندهای غیرکووالانسی هستند، مانند پیوند هیدروژنی یا برهمکنش‌های یونی.

با وجود پیشرفت قابل توجه در توسعه الکترونیک انعطاف پذیر مبتنی بر هیدروژل، چالش های متعددی باقی مانده است.برای مقابله با این چالش‌ها، محققان از همگرایی نوآوری‌های مختلف فناوری مانند کشف مواد جدید، ویژگی‌ها و عملکردهای جدید مواد معمولی، پیشرفت‌ها در پردازش مواد مانند تولید مواد افزودنی و بهبود در ارتباطات بی‌سیم مانند فناوری‌های پیشرفته بلوتوث یا NFC استفاده می‌کنند. این نوآوری ها و هم افزایی ها باعث تسریع توسعه الکترونیک انعطاف پذیر قدرتمند می شود و آنها را به بخشی جدایی ناپذیر از زندگی روزمره ما نزدیک می کند.