Wie von Zauberhand repariert

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Magnettinte mit magnetischen Mikropartikeln für selbstheilende Schaltungen
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.
» Henning Wriedt, USA-Korrespondent
Die Mikropartikel einer speziellen Tinte las­
sen sich durch ein magnetisches Feld selek­
tiv 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 For­
scher 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 Wea­
rable Sensors und Vorsitzender des Nanoen­
gineering 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 die­
se Heilungsprozesse beginnen. Sie benötigen
zudem für einen derartigen Prozess einen Hei­
lungszeitraum von wenigen Minuten bis zu
mehreren Tagen. Im Gegensatz dazu benötigt
das von Wang und seinen Kollegen entwickel­
te System für den Prozessbeginn keinen ex­
ternen Katalysator. Und der Heilungszeitraum
reduzierte sich auf etwa 50 ms.
Quick-Link
Videoclip
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magnettinte
uc San Diego
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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 Bauele­
mente bis zu 9­mal an der gleichen Stelle und
in vier unterschiedlichen Positionen. Die Bau­
elemente 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 T­Shirts und schalteten es zusammen mit
einer LED und einer Knopfzelle. Dann schnitten
die Forscher die Schaltung und das Hemdgewe­
be 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.
Durchtrennte Leitung,
aber die LED leuchtet
Der Schlüssel ist das verhältnismässig
grosse Magnetfeld kleinster Partikel
«Wir wollten ein smartes System mit beein­
druckenden
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 Northwes­
tern University ist. Die Forschergruppe von
Wang ist führend im Bereich der gedruckten
und tragbaren Sensoren. So war es nur na­
türlich, dass sich die Nanoingenieure für die
Tinte als Startpunkt für das selbstheilende
System entschieden.
Die Forscher luden die Tinte mit Mikropar­
tikeln von einem Magneten, der oft in der For­
schung benutzt wird und aus Neodym besteht,
einem weichen und silbernen Metall. Das Ma­
gnetfeld der Partikel ist wesentlich grösser als
deren individuelle Grösse. Das ist der Schlüs­
sel zu den Selbstheilungseigenschaften der
Tinte, da die Anziehung zwischen den Par­
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Fok us
uc San Diego
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Professor Joseph Wang, UC San Diego, forscht
u. a. im Bereich der gedruckten Elektronik
tikeln 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 elektrochemi­
schen Komponenten, wie Sensoren, verwen­
den. 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 neh­
men, dass sich die Magnetfelder der Mikro­
partikel in ihrer natürlichen Konfiguration auf­
heben und damit ihre Heilungseigenschaften
verlieren. Um dieses Problem zu lösen, druckte
man mit der Tinte in der Gegenwart eines ex­
ternen Magnetfeldes. Dadurch wurde sicher­
gestellt, dass sich die Partikel so orientierten,
dass sie sich wie ein Permanentmagnet verhal­
ten, 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 unterschiedli­
chen Bestandteilen für einen breiten Appli­
kationsbereich. Man will auch entsprechende
Computersimulationen (in silico) für den Test
unterschiedlich gemischter Selbstheilungs­
tinten starten, bevor sie im Labor untersucht
werden.
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