Penn State University entwickelt 3D-druckbares Material für Wearables

Forschende der Penn State University haben ein neues, weiches und dehnbares Material entwickelt, das 3D-gedruckt werden kann. Das Material kann zur Herstellung von tragbaren Geräten verwendet werden.

Flüssigmetallbasierte dehnbare Leiter weisen eine inhärente Komplexität auf und stellen Herausforderungen durch den Aktivierungsprozess nach der Herstellung dar. Zu diesen sekundären Aktivierungsmethoden gehören Dehnen, Komprimieren, Scherreibung, mechanisches Sintern und Laseraktivierung, die alle zu Herstellungsproblemen führen und das Austreten des flüssigen Metalls verursachen können, was wiederum zum Versagen des Geräts führt.

“Unsere Methode erfordert keine sekundäre Aktivierung, um das Material leitfähig zu machen”, sagte der korrespondierende Autor Tao Zhou, Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik sowie für Biomedizintechnik am College of Engineering und für Materialwissenschaften und Technik am College of Earth and Mineral Sciences. “Das Material kann sich selbst zusammensetzen, so dass seine Unterseite sehr leitfähig und seine Oberseite selbst isolierend ist.”

Bei der neuen Methode kombinieren die Forschenden flüssiges Metall, eine leitfähige Polymermischung namens PEDOT und hydrophiles Polyurethan, das das flüssige Metall in Partikel umwandelt. Wenn das weiche Verbundmaterial gedruckt und erhitzt wird, selbstassemblieren sich die flüssigen Metallpartikel auf der Unterseite zu einem leitfähigen Pfad. Die Partikel in der oberen Schicht sind einer sauerstoffreichen Umgebung ausgesetzt und oxidieren, wodurch eine isolierte Deckschicht entsteht. Die leitfähige Schicht ist entscheidend für die Übertragung von Informationen an den Sensor, wie z.B. Muskelaktivitätsaufzeichnungen und Dehnungsmessungen am Körper, während die isolierte Schicht das Auslaufen von Signalen verhindert, was zu genaueren Datensammlungen führt.

Das Material kann auch im 3D-Druckverfahren hergestellt werden, was die Fertigung tragbarer Geräte erleichtert. Die Forschenden erkunden weiterhin potenzielle Anwendungen, insbesondere im Bereich der Assistenztechnologie für Menschen mit Behinderungen.

“Unsere Innovation hier ist eine Materialinnovation”, sagte sagte Zhou, der auch mit den Huck Institutes of the Life Sciences und dem Materials Research Institute verbunden ist. “Wenn sich flüssiges Metall mit Polymeren vermischt, sind diese normalerweise nicht leitfähig und erfordern eine sekundäre Aktivierung, um Leitfähigkeit zu erreichen. Aber diese drei Komponenten ermöglichen die Selbstorganisation, die die hohe Leitfähigkeit des weichen und dehnbaren Materials ohne eine sekundäre Aktivierungsmethode erzeugt.”

Zu den weiteren Autoren gehören die Doktoranden Salahuddin Ahmed, Marzia Momin und Jiashu Ren aus dem Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mechanik sowie Hyunjin Lee aus dem Fachbereich Biomedizintechnik an der Penn State.

Die in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlichte Arbeit wurde durch das National Taipei University of Technology-Penn State Collaborative Seed Grant Program und durch die Abteilung für Ingenieurwissenschaften und Mechanik, das Materials Research Institute und die Huck Institutes of the Life Sciences an der Penn State unterstützt.