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Magnettinte mit magnetischen Mikropartikeln für selbstheilende Schaltungen : Ausgabe 06/2017, 05.04.2017

Wie von Zauberhand repariert

Ingenieure von der University of California San Diego entwickelten eine magnetische Tinte, mit der sich, nach Ansicht der Forscher, selbstheilende Batterien, elektrochemische Sensoren und auf Textil basierende elektrische Schaltungen herstellen lassen. Die Hauptbestandteile der Tinte sind Mikropartikel, die durch ein magnetisches Feld in einer bestimmten Konfiguration ausgerichtet werden.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: UC San Diego

Die Mikropartikel einer speziellen Tinte lassen sich durch ein magnetisches Feld selektiv ausrichten. Dadurch ziehen sich Partikel auf beiden Seiten eines Risses magnetisch an und starten beispielsweise in einer Schaltung, die mit dieser Tinte aufgebaut wurde, einen Selbstheilungsprozess. Laut Angaben der Forscher kann man bereits Risse von bis zu 3 mm reparieren.

«Unsere Arbeit ist vielversprechend für praktische Applikationen mit langlebigen, gedruckten Elektronikkomponenten», sagte Joseph Wang, Direktor des Center for Wearable Sensors und Vorsitzender des Nanoengineering Department an der UC San Diego. Der Forschungsbericht erschien in Science Advances.

LED und Knopfzelle am T-Shirt-Ärmel finden mehrmals wieder zusammen

Bereits bekannte Selbstheilungsmaterialien erfordern einen externen Anstoss, damit diese Heilungsprozesse beginnen. Sie benötigen zudem für einen derartigen Prozess einen Heilungszeitraum von wenigen Minuten bis zu mehreren Tagen. Im Gegensatz dazu benötigt das von Wang und seinen Kollegen entwickelte System für den Prozessbeginn keinen externen Katalysator. Und der Heilungszeitraum reduzierte sich auf etwa 50 ms.

Die Ingenieure druckten mit der neuen Tinte Batterien, elektromechanische Sensoren und tragbare, auf Textil basierende elektrische Schaltungen (siehe Video). Sie beschädigten dann die Komponenten durch Schneiden und Auseinanderbrechen mit jeweils grösseren Rissen. Die Forscher beschädigten die Bauelemente bis zu 9-mal an der gleichen Stelle und in vier unterschiedlichen Positionen. Die Bauelemente heilten sich trotzdem immer wieder und stellten ihre Funktionen wieder her. Sie verloren nur unwesentlich an Leitfähigkeit.

So druckten die Ingenieure zum Beispiel eine Selbstheilungsschaltung auf dem Ärmel eines T-Shirts und schalteten es zusammen mit einer LED und einer Knopfzelle. Dann schnitten die Forscher die Schaltung und das Hemdgewebe durch. Die LED hörte auf zu leuchten. Aber nach wenigen Sekunden fing sie wieder an zu leuchten, da die beiden Seiten der Schaltung wieder selbstheilend zusammenkamen und die Leitfähigkeit wieder herstellten.

Der Schlüssel ist das verhältnismässig grosse Magnetfeld kleinster Partikel

«Wir wollten ein smartes System mit beeindruckenden Selbstheilungsmöglichkeiten entwickeln, und zwar auf der Basis leicht verfügbarer und billiger Materialien», sagte Dr. Amay Bandodkar, der früher in Wangs Labor arbeitete und jetzt Forscher an der Northwestern University ist. Die Forschergruppe von Wang ist führend im Bereich der gedruckten und tragbaren Sensoren. So war es nur natürlich, dass sich die Nanoingenieure für die Tinte als Startpunkt für das selbstheilende System entschieden.

Die Forscher luden die Tinte mit Mikropartikeln von einem Magneten, der oft in der Forschung benutzt wird und aus Neodym besteht, einem weichen und silbernen Metall. Das Magnetfeld der Partikel ist wesentlich grösser als deren individuelle Grösse. Das ist der Schlüssel zu den Selbstheilungseigenschaften der Tinte, da die Anziehung zwischen den Partikeln dazu führt, dass die millimeterweiten Risse wieder geschlossen werden.

Die Partikel leiten zudem Elektrizität und sind kostengünstig. Aber sie haben schlechte elektrochemische Eigenschaften und lassen sich somit nur schwierig in elektrochemischen Komponenten, wie Sensoren, verwenden. Um dieses Problem zu lösen, fügten die Forscher noch Russ zur Tinte, ein Material, das im Allgemeinen bei der Herstellung von Batterien und Sensoren verwendet wird.

Man musste aber auch zur Kenntnis nehmen, dass sich die Magnetfelder der Mikro­partikel in ihrer natürlichen Konfiguration aufheben und damit ihre Heilungseigenschaften verlieren. Um dieses Problem zu lösen, druckte man mit der Tinte in der Gegenwart eines externen Magnetfeldes. Dadurch wurde sichergestellt, dass sich die Partikel so orientierten, dass sie sich wie ein Permanentmagnet verhalten, und zwar mit zwei gegensätzlichen Polen am Ende eines jeden gedruckten Elementes.

Nach der Zweiteilung ziehen sich die Magnete an

Sobald das Element in zwei Teile geschnitten wird, agieren die zwei beschädigten Teile wie unterschiedliche Magnete, die sich anziehen und selbstheilend sind.

Für die Zukunft denken die Forscher an unterschiedliche Tinten mit unterschiedlichen Bestandteilen für einen breiten Applikationsbereich. Man will auch entsprechende Computersimulationen (in silico) für den Test unterschiedlich gemischter Selbstheilungstinten starten, bevor sie im Labor untersucht werden. 

Infoservice

University of California San Diego
www.ucsd.edu



Durchtrennte Leitung, aber die LED leuchtet


Professor Joseph Wang, UC San Diego, forscht u. a. im Bereich der gedruckten Elektronik

Quick-Link

Videoclip www.polyscope.ch/2017/ magnettinte