Multifilamento condutivo ultraextensível e vestível ativado por estrutura de polipirrole dobrado em paralelo

npj Flexível Electronics volume 6, Número do artigo: 42 (2022) Cite este artigo

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Fibras condutoras extensíveis têm atraído muita atenção devido ao seu uso potencial em eletrônicos vestíveis. No entanto, a condutividade insensível à tensão ultra-alta é prejudicada pela incompatibilidade mecânica no módulo de Young e falha de estruturas elásticas sob grande deformação. Este desafio é enfrentado com um multifilamento condutor e elástico feito de monofilamentos de poliuretano que são revestidos superficialmente com polipirrol (PPy) curvado, cuja flexibilidade é melhorada pelo sulfosalicilato de sódio. Esses monofilamentos condutores paralelos com flambagem de PPy na superfície reduzem a influência de rachaduras no revestimento condutivo na condutividade geral, exibindo um comportamento insensível à deformação ultra-alta (fator de qualidade Q = 10,9). Notavelmente, várias formas complexas de têxteis eletrônicos vestíveis feitos por este multifilamento condutor mantêm o comportamento insensível à tensão do multifilamento original, mesmo após a grande deformação da articulação humana. Este multifilamento com PPy enrugado tem vantagens atraentes na aplicação de dispositivos eletrônicos vestíveis superestirados.

Nos últimos anos, têxteis eletrônicos vestíveis, como sensores1,2, dispositivos de coleta e armazenamento de energia3,4, dispositivos de memória5, telas6 e aquecedores7, atraíram um interesse crescente tanto da comunidade de pesquisa quanto da industrial. O crescimento em alta velocidade de têxteis eletrônicos vestíveis coloca uma alta demanda em circuitos eletrônicos flexíveis e extensíveis para garantir a transmissão estável e sem perdas de sinais elétricos sob um grande estiramento mecânico8,9. Vários métodos tecnológicos, incluindo estrutura de bobina helicoidal10,11, estrutura de "mola entrelaçada"12, estrutura em camadas13 e estrutura de fivela8,14 foram desenvolvidos para fabricar o circuito eletrônico elástico para projetar fibras e fios multifuncionais. A estratégia mais utilizada baseia-se nas construções geométricas baseadas nos princípios da mola helicoidal, possibilitando uma eletrônica extensível de alto desempenho10,11. Apesar da eficácia do método, desvantagens como as estruturas multidimensionais que muitas vezes requerem materiais de colagem complexos e tecnologia de colagem, e o movimento não planar das bobinas durante o alongamento, instigaram a busca por outras estratégias alternativas15. Os compósitos fibrosos condutivos com uma estrutura em camadas em espiral formada pela laminação dos filmes fornecem apenas uma solução insatisfatória para seu baixo comportamento insensível à deformação (fator de qualidade Q = 0,57 a 356%)13. Portanto, um circuito eletrônico elástico à base de fibra com fácil integração e comportamento altamente insensível à tensão ainda é extremamente desejável para têxteis eletrônicos vestíveis.

Estruturas de flambagem têm sido usadas para superar restrições espaciais, mantendo uma condutividade constante em vários dispositivos flexíveis16. O módulo aparente dos elementos condutores pode ser reduzido significativamente pela formação das estruturas encurvadas, por exemplo, enroladas, onduladas e enrugadas, na superfície do substrato elástico, garantindo a elasticidade do circuito à base de fibra condutora17. Por exemplo, um multifilamento condutor em forma de verme foi preparado primeiro pré-estirando um núcleo multifilamento de poliuretano (PU) e depois revestindo-o com uma camada de grafeno8. Tal estrutura permitiu uma variação de resistência insignificante (cerca de 0,26) até 300% de deformação. No entanto, foi observado um aumento da resistência elétrica no estágio inicial do estiramento devido à separação das rugas do grafeno, uma propriedade útil para sensores18,19, mas indesejável para circuitos eletrônicos extensíveis. Além disso, embora a estrutura encurvada tenha provado ser capaz de efetivamente aliviar o descompasso mecânico entre os elementos condutores e o substrato, uma alta interação interfacial é sempre necessária para melhorar o desempenho do ciclo17. Assim, é fundamental selecionar os elementos condutores para diferentes substratos a fim de obter uma interação interfacial superior.