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美高校研究出柔性液态晶体管

在最新研究中,美国卡内基梅隆大学软体机器实验室工程师卡梅尔·麦吉迪和詹姆斯·威斯曼研制出新方法,制成拥有数字功能和柔软可变形兼备的流体晶体管。他们通过调配铟镓两种金属的混合比例,找到一种在室温下呈液态的特殊合金,注入橡胶后不仅能像铜和银等金属一样导电,还拥有天然皮肤一样的柔软弹性。


柔性电子材料需求

晶体管被称为掌上电脑、智能手机等数字产品的“大脑”,负责处理信号和数据,随着晶体管尺寸越来越小,这些数字计算机产品也在不断变小、变强和更加普及。但由于晶体管用的都是固体材料,始终无法摆脱拒人于千里之外的硬邦邦感觉。若要制造柔软、拟人化的机器,需要具有柔软的自然生物外观和感觉,此时需要采取新的柔软材料代替当前用于电气开关和电路的刚性材料。


液态晶体管原理

该团队与北卡罗来纳州立大学的Michael Dickey合作,他们最近发现液态金属电子不仅可用于拉伸电路布线,还可用于制造电子开关。这些流体晶体管通过打开和关闭两个液态金属液滴之间的连接而工作。当沿着某个方向施加电压时,两个液滴会相互靠近并连接成金属桥,从而实现导电功能;当沿着相反方向施加电压时,液滴会相互远离,导电功能关闭。研究人员通过在开关和开关状态之间快速交替,只需少量的电压,就可以模仿传统晶体管的特性。


研究人员表示,两个液滴类似于场效应晶体管的源极和漏极,通过电压调控液滴的形状,晶体管电路可按需开关。这种液态金属电路在未来拥有无穷应用潜力,比如研制模拟鸟类的飞行机器人,能在保持电学功能的同时承受高空极端条件下的变形压力;研发出用于搜救机器人,以及监控疾病和恢复大脑功能等领域的液态计算机。


液滴分离原理

研究小组利用毛细管不稳定性实现了这一目的。麦吉迪说:“我们总是看到毛细管不稳定性。如果打开水龙头,流量很低时,有时会看到从稳定的水流变成个别的水滴,这就是所谓的“瑞利-泰勒不稳定性”。


研究人员必须找到一种方法来诱导液体金属的这种不稳定性,从而可以无缝地从一个液滴过渡到两个液滴。在对氢氧化钠溶液中的液滴进行一系列测试后,他们意识到不稳定性是由施加的电压和电化学反应之间的耦合驱动的。这种耦合引起液滴表面氧化的梯度,然后导致液滴表面张力的梯度,最终导致两个液滴的分离。


应用前景

如果可以对材料进行编程以改变形状,则可以根据其配置改变其功能,甚至可以重新配置以避免在极端环境中损坏。麦吉迪说:“该研究成果可用于物理结构变形很大的物体,就像一个模仿鸟类特性的飞行机器人。当它展开翅膀时,需要翅膀上的电路也变形和重新配置,使其保持运行或支持一些新的电气功能。”


其他应用可能包括用于未来技术的液体计算机。如与生物材料接触的微型计算机,可用于监测身体疾病或恢复中风幸存者的大脑功能。再如,搜索和救援机器人可以在损坏时自行组装新零件。虽然听起来像科幻小说,但液体计算有一天可能会像今天的笔记本电脑一样普遍。

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