18 Mart 2024 (Nanowerk GündemiGiyilebilir teknolojinin ortaya çıkışı, yumuşak elektronik cihazların esnekliğine ve esneyebilirliğine ayak uydurabilecek enerji depolama çözümlerine yönelik acil bir ihtiyacı da beraberinde getirdi. Geleneksel sert piller ve süperkapasitörler İnsan vücuduna uyması ve günlük kullanımın zorluklarına dayanması gereken giyilebilir cihazlara kusursuz entegrasyon konusunda yetersiz oldukları kanıtlandı. Enerji depolama ve cihaz esnekliği arasındaki bu uyumsuzluk, sağlık izleme, akıllı tekstiller ve biyomedikal implantlar gibi alanlardaki ilerlemeyi engelledi. Mikro süper kapasitörler (MSC'ler), yüksek güç yoğunluğu, hızlı şarj ve uzun çevrim ömrü sayesinde deforme edilebilir enerji depolama için umut verici bir aday olarak ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte, yüksek performanslı MSC'ler için gerekli olan karmaşık, birbirine geçmiş elektrot modellerini, tekrarlanan gerilmeye ve bükülmeye dayanabilen malzemeler kullanarak oluşturmanın zorlu olduğu kanıtlanmıştır. Araştırmacılar, yaratıcı desenler ve elastik alt tabakalar aracılığıyla esnekliği artırma konusunda ilerleme kaydederken, birçok yaklaşım karmaşık üretim gerektiriyor ve aşırı deformasyon altında hala başarısız oluyor. Şimdi, Kore Endüstriyel Teknoloji Enstitüsü'nden ve Profesör Dr. Chanwoo Yang'ın liderliğinde ortak bir araştırma çalışması yürütülüyor. Jin Kon Kim Pohang Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden potansiyel bir çözüm üretti. 'da yayınlanan makalelerinde npj Esnek Elektronik (“Grafen/sıvı metalin lazer ablasyon desenlemesi yoluyla üretilen, deforme olabilen mikro süper kapasitör”), ekip son derece deforme olabilen parçaların imalatını detaylandırıyor grafen tabanlı MSC'ler sıvı metal elastik bir polimer substrat üzerindeki akım toplayıcılar.
a Yumuşak elektronik ve deforme edilebilir enerji depolama bileşeni içeren entegre bir sistemin çizimi. b EGaIn tabanlı MSC'nin üretim süreci. c SEBS, EGaIn ve grafenin UV-vis spektrumları. Lazer ablasyonunun FE-SEM görüntüleri d Grafen/EGaIn ve e EGaIn (Ölçek çubuğu = 200 µm). fotoğrafları f enstitü logoları, g deforme olmuş logolar ve h MSC devresine bağlı bir LED (Ölçek çubuğu = 1 cm). (Resim: © npj Esnek Elektronik) En önemli yenilik, mevcut toplayıcı olarak sıvı metal alaşımı olan ötektik galyum-indiyumun (EGaIn) kullanılmasında yatmaktadır. Kim, Nanowerk'e şöyle açıklıyor: "Deforme olabilen bir MSC'yi uygulamak için, deforme olabilen bir akım toplayıcıya ihtiyaç vardır." “Ancak yaygın olarak kullanılan akım toplayıcılar altın (Au) gibi kırılgan malzemelerden yapılıyor. Bu sorunu çözmek için, doğası gereği sıvı ve metalik iletkenlik özelliklerine sahip olan 'sıvı metal'i seçtik." Üretim süreci, gerilebilir bir stiren-etilen-bütilen-stiren (SEBS) substratı üzerine ince bir EGaIn filminin kaplanmasıyla başlar ve ardından aktif elektrot malzemesi olarak hizmet edecek bir grafen katmanının biriktirilmesiyle başlar. Araştırmacılar, lazer kullanarak iç içe geçmiş desen elde etmek için grafen ve EGaIn'i seçici olarak kesip çıkarıyor ve bu malzemelerin şeffaf SEBS'ye kıyasla güçlü lazer emiliminden yararlanıyor. Lazer yoğunluğunu dikkatli bir şekilde ayarlayarak alttaki elastik alt tabakaya zarar vermeden hassas desenleme elde ederler. Malzeme seçimi bu yaklaşımın başarısı açısından çok önemlidir. Kim, "Lazerin dalga boyunun mükemmel emilimini kullanarak sıvı metalin desenlenmesini başarıyla sağladık" diye belirtiyor. "Ayrıca, lazerin yoğunluğunu ayarlayarak, lazerin neden olduğu ısının alt tabakaya verdiği zararı önledik, oysa hem grafen hem de sıvı metal lazer tarafından aşındırıldı." Lazer dalga boyunu absorbe etmeyen SEBS substratı, ablasyon sırasında üretilen ısıya dayanabilir ve 90 µm kadar küçük elektrot boşluklarıyla yüksek çözünürlüklü desenlerin oluşturulmasına olanak tanır. Ortaya çıkan MSC'ler, 1336 µF cm'ye kadar alansal kapasitanslara ulaşarak etkileyici bir performans sergiliyor-2 iyi oran kapasitesini korurken. Daha da önemlisi cihazlar, 1000 deformasyon döngüsünden sonra bile katlanma, buruşma, bükülme ve esneme dahil olmak üzere çeşitli mekanik deformasyonlar altında önemli bir bozulma göstermez. Kim, "Sıvı metal akım toplayıcı kullanan MSC, çeşitli mekanik deformasyonlar altında ve tekrarlanan deformasyonlardan sonra bile enerji depolama performansında hiçbir değişiklik göstermedi" diye vurguluyor ve bu cihazların giyilebilir ve esnek elektroniklere güç sağlama potansiyelini vurguluyor. MSC'lerin pratik potansiyelini göstermek için araştırmacılar, gerilebilir bir aydınlatma sistemi oluşturmak için ışık yayan diyotlara sahip bir dizi cihazı entegre ettiler. Sistem, şiddetli bükülme, bükülme ve esneme koşullarında istikrarlı çalışmayı sürdürerek MSC'lerin deforme olabilen elektroniklere güvenilir şekilde güç verme yeteneğini sergiledi. İleriye baktığımızda, Kim ve Yang daha fazla iyileştirme olanağı ve gelecekteki uygulamalar için heyecan verici olanaklar görüyorlar. "MSC'ler alanında, aynı anda yüksek enerji yoğunluğuna ve yüksek deforme edilebilirliğe ulaşmak önemli bir zorluk olmaya devam ediyor" diye belirtiyorlar. "Bunun nedeni, mekanik deformasyon sırasında yalnızca akım toplayıcı ile aktif malzeme arasındaki arayüzün iyi korunması değil, aynı zamanda aktif malzemelerin enerji yoğunluğunun da arttırılması gerektiğidir. Bu nedenle bu sorunun çözülmesi gerekiyor” dedi. Bu MSC'lerde kullanılan jel elektrolitin mekanik dayanıklılığını arttırmak için ek çalışmalara ihtiyaç duyulmasına rağmen, lazer desenli sıvı metal elektrotların kullanımı, gerçekten deforme olabilen enerji depolama çözümlerinin geliştirilmesinde ileriye doğru önemli bir adımı temsil etmektedir. Giyilebilir teknolojiler gelişmeye devam ettikçe bu gibi yenilikler, cihazlarımızın dinamik yaşam tarzlarımızın taleplerine uyum sağlamasını sağlamada hayati bir rol oynayacak. Sağlığımızı izleyen akıllı giysilerden vücudumuzla birlikte esneyen biyomedikal implantlara kadar giyilebilir elektroniklerin geleceği, yalnızca kompakt ve güçlü değil, aynı zamanda bizim kadar esnek olan enerji depolama sistemlerine bağlı olacak. Sıvı metal iletkenler, elastik alt tabakalar ve yüksek elektrokimyasal performansın benzersiz kombinasyonuyla grafen bazlı MSC'ler, giyilebilir enerji depolamada mümkün olanın sınırlarını genişleterek geleceğe heyecan verici bir bakış sunuyor. Bu alandaki araştırmalar ilerledikçe, hayatlarımızla kusursuz bir şekilde bütünleşen, bizi asla geri tutmayan, deforme olabilen enerji depolama çözümleriyle desteklenen yeni nesil giyilebilir cihazları sabırsızlıkla bekleyebiliriz.
a Yumuşak elektronik ve deforme edilebilir enerji depolama bileşeni içeren entegre bir sistemin çizimi. b EGaIn tabanlı MSC'nin üretim süreci. c SEBS, EGaIn ve grafenin UV-vis spektrumları. Lazer ablasyonunun FE-SEM görüntüleri d Grafen/EGaIn ve e EGaIn (Ölçek çubuğu = 200 µm). fotoğrafları f enstitü logoları, g deforme olmuş logolar ve h MSC devresine bağlı bir LED (Ölçek çubuğu = 1 cm). (Resim: © npj Esnek Elektronik) En önemli yenilik, mevcut toplayıcı olarak sıvı metal alaşımı olan ötektik galyum-indiyumun (EGaIn) kullanılmasında yatmaktadır. Kim, Nanowerk'e şöyle açıklıyor: "Deforme olabilen bir MSC'yi uygulamak için, deforme olabilen bir akım toplayıcıya ihtiyaç vardır." “Ancak yaygın olarak kullanılan akım toplayıcılar altın (Au) gibi kırılgan malzemelerden yapılıyor. Bu sorunu çözmek için, doğası gereği sıvı ve metalik iletkenlik özelliklerine sahip olan 'sıvı metal'i seçtik." Üretim süreci, gerilebilir bir stiren-etilen-bütilen-stiren (SEBS) substratı üzerine ince bir EGaIn filminin kaplanmasıyla başlar ve ardından aktif elektrot malzemesi olarak hizmet edecek bir grafen katmanının biriktirilmesiyle başlar. Araştırmacılar, lazer kullanarak iç içe geçmiş desen elde etmek için grafen ve EGaIn'i seçici olarak kesip çıkarıyor ve bu malzemelerin şeffaf SEBS'ye kıyasla güçlü lazer emiliminden yararlanıyor. Lazer yoğunluğunu dikkatli bir şekilde ayarlayarak alttaki elastik alt tabakaya zarar vermeden hassas desenleme elde ederler. Malzeme seçimi bu yaklaşımın başarısı açısından çok önemlidir. Kim, "Lazerin dalga boyunun mükemmel emilimini kullanarak sıvı metalin desenlenmesini başarıyla sağladık" diye belirtiyor. "Ayrıca, lazerin yoğunluğunu ayarlayarak, lazerin neden olduğu ısının alt tabakaya verdiği zararı önledik, oysa hem grafen hem de sıvı metal lazer tarafından aşındırıldı." Lazer dalga boyunu absorbe etmeyen SEBS substratı, ablasyon sırasında üretilen ısıya dayanabilir ve 90 µm kadar küçük elektrot boşluklarıyla yüksek çözünürlüklü desenlerin oluşturulmasına olanak tanır. Ortaya çıkan MSC'ler, 1336 µF cm'ye kadar alansal kapasitanslara ulaşarak etkileyici bir performans sergiliyor-2 iyi oran kapasitesini korurken. Daha da önemlisi cihazlar, 1000 deformasyon döngüsünden sonra bile katlanma, buruşma, bükülme ve esneme dahil olmak üzere çeşitli mekanik deformasyonlar altında önemli bir bozulma göstermez. Kim, "Sıvı metal akım toplayıcı kullanan MSC, çeşitli mekanik deformasyonlar altında ve tekrarlanan deformasyonlardan sonra bile enerji depolama performansında hiçbir değişiklik göstermedi" diye vurguluyor ve bu cihazların giyilebilir ve esnek elektroniklere güç sağlama potansiyelini vurguluyor. MSC'lerin pratik potansiyelini göstermek için araştırmacılar, gerilebilir bir aydınlatma sistemi oluşturmak için ışık yayan diyotlara sahip bir dizi cihazı entegre ettiler. Sistem, şiddetli bükülme, bükülme ve esneme koşullarında istikrarlı çalışmayı sürdürerek MSC'lerin deforme olabilen elektroniklere güvenilir şekilde güç verme yeteneğini sergiledi. İleriye baktığımızda, Kim ve Yang daha fazla iyileştirme olanağı ve gelecekteki uygulamalar için heyecan verici olanaklar görüyorlar. "MSC'ler alanında, aynı anda yüksek enerji yoğunluğuna ve yüksek deforme edilebilirliğe ulaşmak önemli bir zorluk olmaya devam ediyor" diye belirtiyorlar. "Bunun nedeni, mekanik deformasyon sırasında yalnızca akım toplayıcı ile aktif malzeme arasındaki arayüzün iyi korunması değil, aynı zamanda aktif malzemelerin enerji yoğunluğunun da arttırılması gerektiğidir. Bu nedenle bu sorunun çözülmesi gerekiyor” dedi. Bu MSC'lerde kullanılan jel elektrolitin mekanik dayanıklılığını arttırmak için ek çalışmalara ihtiyaç duyulmasına rağmen, lazer desenli sıvı metal elektrotların kullanımı, gerçekten deforme olabilen enerji depolama çözümlerinin geliştirilmesinde ileriye doğru önemli bir adımı temsil etmektedir. Giyilebilir teknolojiler gelişmeye devam ettikçe bu gibi yenilikler, cihazlarımızın dinamik yaşam tarzlarımızın taleplerine uyum sağlamasını sağlamada hayati bir rol oynayacak. Sağlığımızı izleyen akıllı giysilerden vücudumuzla birlikte esneyen biyomedikal implantlara kadar giyilebilir elektroniklerin geleceği, yalnızca kompakt ve güçlü değil, aynı zamanda bizim kadar esnek olan enerji depolama sistemlerine bağlı olacak. Sıvı metal iletkenler, elastik alt tabakalar ve yüksek elektrokimyasal performansın benzersiz kombinasyonuyla grafen bazlı MSC'ler, giyilebilir enerji depolamada mümkün olanın sınırlarını genişleterek geleceğe heyecan verici bir bakış sunuyor. Bu alandaki araştırmalar ilerledikçe, hayatlarımızla kusursuz bir şekilde bütünleşen, bizi asla geri tutmayan, deforme olabilen enerji depolama çözümleriyle desteklenen yeni nesil giyilebilir cihazları sabırsızlıkla bekleyebiliriz.
– Michael, Royal Society of Chemistry tarafından yazılan üç kitabın yazarıdır:
Nano-Toplum: Teknolojinin Sınırlarını Zorlamak,
Nanoteknoloji: Gelecek Küçük, ve
Nano-mühendislik: Teknolojiyi Görünmez Yapan Beceri ve Araçlar
Telif Hakkı ©
Nanowerk LLC
Spotlight konuk yazarı olun! Geniş ve büyüyen grubumuza katılın konuk katkıda bulunanlar. Nanoteknoloji topluluğuyla paylaşmak için bilimsel bir makale yayınladınız mı veya başka heyecan verici gelişmeleriniz mi var? Nanowerk.com'da nasıl yayınlayacağınız burada.
- SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
- PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
- PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
- PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
- PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
- Kaynak: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64866.php
