الابتكارات في الدوائر والمواد الإلكترونية ذاتية التعافي

الابتكارات الرئيسية للمواد التي تُدار في الميدان

ويتوقف الإعمال العملي لدوائر التعافي الذاتي على الانجازات في علم الكيمياء والمواد، وقد برزت ثلاثة نُهج أولية باعتبارها أكثر الطرق واعدة للتطبيقات الإلكترونية.

شبكات الكتف الصغرى والمنشورات

هذه الطريقة تُزيل عامل معالجة سائل في أكبسولات مجهرية، وعندما تُنشر الشقوق، تُمزق الأغطية، وتُدخل الوكيل في منطقة الضرر بواسطة أجهزة التصفيق، وتُحدث البوليمرات، وتعيد السلامة الميكانيكية، وغالباً ما تكون مُسَوِّلة، وثانية هامة في هذه المنطقة هي تطوير كبائن مُحدِّدة.

Dynamic Covalent and Supramolecular Polymers

وتتقدم المواد الأساسية بسرعة من الفضول النظري إلى المواد الهندسية العملية، أما البوليمرات القائمة على Diels-Alder (DA) cycloaddition فهي أكثر النظم التي تُدرس في مجال التغذوية الذاتية، وسند إدارة الشؤون الداخلية قابل للتراجع الحراري، ويخترق دورات الفحوصات الإلكترونية العالية الحرارة ويسمح بالتبريد.

فالبوليمرات فوق المنهجية التي تعتمد على تفاعلات غير قابلة للتداول مثل ربط الهيدروجين، تقدم علاجاً تلقائياً في الغرفة، ويمكن أن تكون هذه المواد سهلة وممتدة، مما يجعلها مثالية للالكترونيات القابلة للارتداء، والمقايضة هي أنها عادة ما تكون أقل مقاومة وثباتاً من البوليمرات التقليدية المترابطة.

Reoring Conductivity: Liquid Metals and Conductive Composites

(ب) إذا كان إصلاح البنية الميكانيكية هو نصف المعركة، فإن استعادة الوظيفة الكهربائية هي الشرط النهائي. الفلزات السائلة ، مثل قطع الجمود السائل المكرر (EGaIn) ومساره، قد أصبحت من الطليعة لهذا التحدي.

وتجمع المركبات المجهزة ذاتياً بين مصفوفة دينامية متعددة المرات وملئات موصلات مثل النانوير الفضية أو الغرافيين أو نانووبات الكربون، وعندما يتم قطع المركبة، فإن السندات الدينامية في إعادة الاتصال بالبوليمر، تعيد المشغلات الموصلات إلى الاتصال وتعيد الشبكة السلوكية، ويتمثل التحدي الرئيسي في ضمان عدم قيام المشغلين بالجمع أو العزل بصورة دائمة أثناء عملية معالجة المشاكل.

تطبيقات في تصميم الدوائر وطولها

ويتطلب ترجمة هذه الابتكارات المادية إلى هياكل الدوائر العملية تصميما دقيقا، كما أن إدماج عناصر التعافي الذاتي مباشرة في عمليات التصنيع الموحدة هو مجال تطور مكثف حاليا.

إصلاح المسارات المكسورة في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور

وتُعدّ هذه الأجهزة ذات الصلصة من الاختراقات الحرارية والصدمات الميكانيكية، وتُستخدم في تركيب أجهزة التصفيق أو الرش، وتُعدّ هذه المعاطف مُعدّة للسيارات، وتُعدّل مواضع التكسير الكهربائي إلى أقصى حد، وتُعدّل آثار التكسير الكهربائي الواعدة.

معالجة الدوائر المرنة والثابتة

إن الأجهزة القابلة للزراعة والروبوتات الطبية تتطلب دوائر يمكن أن تنحني وتمتد وتلتف باستمرار، وهذا الإجهاد الميكانيكي يؤدي حتما إلى الإهمال والفشل، كما أن الإجهاد الميكانيكي الذي يلحق بأجهزة التلقيم الذاتي والوصلات الداخلية له أهمية حاسمة بالنسبة للموثوقية الطويلة الأجل لهذه الأجهزة، وقد يتألف جهاز مرن نموذجي من جهاز معالجة معتمد على نظام إيغا إن.

Overcoming Repetitive Damage and Fatigue

أحد أهم العقبات التي تعترض سبيل أجهزة التطعيم الذاتي تُشفى نفس الموقع مرات عديدة، النظم المتأصلة محدودة بالنضوب، النظم المتأصلة تعالج هذا ولكنها يمكن أن تعاني من سوء فهم أو فصل تدريجي بعد التئام متكرر، ويستكشف الباحثون النظم الهجينة التي تجمع بين القوة الأولية العالية للوعود البدينة

Transforming Critical Industries

وتمتد آثار الإلكترونيات ذاتية إلى أبعد من مدّة حياة هاتف ذكي، وهذه التكنولوجيات تتيح قدرات جديدة بشكل أساسي في البيئات ذات الاتساع.

الفضاء الجوي واستكشاف أعماق البحار

الوصول إلى الأجهزة الإلكترونية المضرة في السواتل، أجهزة الاستشعار في أعماق البحار، أو مجالس أجنحة الطائرات باهظة التكلفة أو مستحيلة جسدياً، إنّ أدوات الإنقاذ ذاتياً وأجهزة الملاحة الجوية هي أولوية قصوى بالنسبة لوكالات الدفاع والفضاء، وقدرة على التعافي بشكل مستقل من تطويق ميكروميتوب أو من شق مسبب للإهتزازات قد تعني الفرق بين مهمة كاملة وعطل في النسيجات

الأجهزة الطبية الحيوية القابلة للزراعة

كما أن صانعي المبيدات والمحفزات العصبية والثدييات الذكية ونظم تسليم المخدرات المستهدفة تعمل داخل الجسم لسنوات، كما أن البطاريات التقليدية والدوائر الصلبة تشكل نقطة ضعف؛ بل إن وجود ميكروس واحد في العزل يمكن أن يسبب انقطاعا في دائرة أو أجهزة التكسير ذاتية قصيرة، مما يؤدي إلى عمليات التغليف والتغليف الذاتي، كما أن مواد التسخين الذاتي تتيح إمكانية حدوث عمليات حرق ذاتي أكثر موثوقية.

Consumer Electronics and the IoT Ecosystem

وتعتمد شبكة إنترنت الأشياء مباشرة على بلايين أجهزة الاستشعار الصغيرة الموزعة التي يتكون العديد منها من هياكل أو في مواقع يصعب الوصول إليها، وتستمر معالجة البطاريات أو الأجهزة في كابوس لوجستي، ويمكن لدوائر التسخين الذاتي أن تطيل فترة الحياة التشغيلية للندوات، وتخفض تكاليف الصيانة، وفي سوق المستهلكين، تنجم عن ذلك آثار على الاستدامة أكثر من مليون طن.

تجاوز الحواجز أمام التبني على نطاق واسع

ورغم المظاهرات المختبرية المثيرة للإعجاب، لا تزال هناك عقبات عديدة قبل أن تصبح الإلكترونيات ذاتية التعافي سمة متجانسة من الأجهزة التي نستخدمها كل يوم.

السرعة ضد النزاهة الهيكلية

فالعمليات السريعة التي تُجرى على أساسها، مثل تلك التي تقوم على سندات الهيدروجين فوق الترام، تكون في كثير من الأحيان غير متينة ومتينة، والمواد الهيكلية العالية القوة، تتطلب روابط متماسكة قوية تستغرق وقتا أطول لإصلاحها، وكثيرا ما تتطلب تصاعدا خارجيا مثل الحرارة أو الضوء فوق البنفسجي.

التكامل بين الصُعد والتصنيع

ولا يمكن أن يُدمج الميكروبات في معجون مباع أو طباعة البوليمرات الدينامية في خط إنتاج، ويمكن أن تكسر الكبسولات الدقيقة أثناء عمليات الخلط أو الطباعة الموحدة، كما أن حياة الراف من العوامل الرجعية يجب أن تضاهي السوقيات التحويلية، وعلاوة على ذلك، فإن هذه المواد الغريبة تكلف حاليا أكثر بكثير من التراكمي أو البوليميد.

السمسرة ومراقبة الجودة

كيف تختبر دائرة التعافي الذاتي بروتوكولات الاختبارات الصناعية القياسية للالكترونيات لا تغطي "دورات الأكل"

The Path to Resilient and Sustainable Electronics

إن ميدان أجهزة التلقيح الذاتي ينتقل بسرعة من الفضول العلمي إلى واقع هندسي، فإحداث تقارب دينامي في الكيمياء النانوية، وعلم النانو، والإلكترونيات المرنة، هو أمر يخلق نموذجا جديدا في قابلية الأجهزة للتحمل، وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة في مجال سرعة التداوي، وتكاليف التصنيع، والقوة الهيكلية، فإن القدرة على التخلص من الأجهزة الإلكترونية ذاتية تمثل بشكل متكرر قدرة على إصلاحها.