Zelfreparerende elektronica werkt langer en reduceert afval (video)

Engineers van de universiteit van Illinois hebben een zelfreparerend systeem ontwikkeld dat een onderbreking in een elektrische geleider in een mum van tijd herstelt. Onder leiding van aerospace-professor Scott White and materiaalwetenschapper professor Nancy Sottos, publiceerden de onderzoekers hun werk in het tijdschrift  Advanced Materials.

"Het vereenvoudigt het systeem," zegt chemiehoogleraar Jeffrey Moore, mede-auteur van het artikel. "Het is niet meer nodig om redundantie of een diagnostisch systeem op basis van sensoren in te bouwen. Het materiaal lost het probleem zelf op."

Niet veel animo om defecten te repareren

Omdat elektronische schakelingen steeds meer gecompliceerde taken moeten uitvoeren, wordt de dichtheid  op chips ook steeds hoger. Maar dat brent problemen met zich mee, zoals defecten ten gevolge van fluctuerende temperatuurcyclussen of materiaalmoeheid. Zo’n defect kan een heel toestel onbruikbaar maken.

"In het algemeen is er niet veel animo om materiaaldefecten te repareren", zegt Sottos. "Soms kun je er gewoonweg niet bijkomen. Meestal vervang je de hele chip. Dat geldt ook voor batterijen; je kunt een batterij niet uit elkaar halen om de oorzaak van de storing op te sporen."

Bij de meeste consumentenapparaten  wordt ervan uitgegaan dat ze regelmatig worden vervangen. – met als gevolg elektronisch afval – maar in veel belangrijke toepassingen zoals in de ruimtevaart kunnen elektrische defecten niet worden vervangen of gerepareerd.

Polymeren

Het onderzoeksteam ontwikkelde al eerder een methode voor zelfreparerende polymeermaterialen en besloot de techniek aan te passen voor geleidende systemen. Ze verdeelden kleine microcapsules met een diameter van 10 micrometer op een gouden geleiderlijn, die functioneerde als circuit. Als zich een breuk voordoet breken de capsules open en komt er een vloeibaar metaal (galliumindium) vrij. Dit metaal vult de onderbreking van de lijn en daarmee is de elektrische geleiding hersteld.

Een defect onderbreekt de stroom gedurende slechts enkele seconden omdat het vloeibare metaal het gat direct vult. De onderzoekers demonstreerden dat in 90% van de gevallen de geleiding werd hersteld tot op 99%, zelfs met een gering aantal microcapsules.

Lokaal en autonoom

Het zelfreparerende systeem heeft als voordeel dat het lokaal en autonoom is. Alleen de microcapsules bij een breuk worden geopend, dus de reparatie vindt alleen plaats op de plek waar de schade is. Bovendien is geen menselijke tussenkomst of diagnose nodig.  Dat is vooral belangrijk in toepassingen waar de toegang tot zo’n defect onmmogelijk is of waar het vinden van de bron van de storing lastig is, zoals in een vliegtuig of ruimtevaartuig.

"In vliegtuigen, en vooral in militaire vliegtuigen, zitten kilometers en kilometers geleidende draad", zegt Sottos. "Je weet vaak niet waar een breuk optreedt en dan is autonomie mooi. Het systeem weet waar het mis is, zelfs als wij het niet weten."

De onderzoekers willen nu hun systeem  verder verfijnen en andere toepassingen zoeken voor de microcapsules. Ze zijn vooral geïnteresseerd in het gebruik van zelf-reparatie in batterijen, om de veiligheid en de levensduur te verlengen.