وتعيد صياغة الأجهزة الإلكترونية المرنة والأجهزة القابلة للارتداء، حيث يمكن أن تُستخدم في هذه المواد، من خلال المواخير الذكية التي ترصد معدلات القلب إلى الملابس التي تُحس بالنشاط العضلي، وتعتمد هذه الابتكارات على مواد يمكن أن تُنحنى وتمتد وتستمر في استخدامها يومياً، وقد برزت البوليمرات الإضافة كفئة الأساس من المواد المستخدمة في هذه التطبيقات، مما يتيح مزيجاً فريداً من المرونة، وقوة الميكانيكية، والعزلة الكهربائية، وسهولة التجهيز.

فهم البوليمرات: الكيمياء والأصناف المشتركة

إن البوليمرات الإضافة هي من السلاسل الكلية الطويلة السلسلة التي تشكلها الإضافة المتكررة للوحدات الاحتكارية دون إزالة أي منتج ثانوي، وهذه العملية، المعروفة بتعددية المقاييس، تتطلب عادة من المبادر إلى بدء عملية الرد على السلسلة، ويتكون العمود الفقري من سندات وحيدة للكربون وكربون، تخلق استقرارا كيميائيا عاليا ونزاهة ميكانيكية، ويستخدم تبسيط وكفاءة التعددية على نطاق واسع.

آلية الإضافة

وتبدأ الآلية الأكثر شيوعاً بتعددية التعددية بالمجان، وتبدأ بجزيء مبدئي ينزع إلى متطرفين حرين تحت الحرارة أو الضوء فوق البنفسجي، ويهاجم هؤلاء المتطرفون الرباط المزدوج لبوليمر (مثل الإيثيلين أو البطارين)، ويخلقون تطرفاً جديداً في نهاية السلسلة المتنامية، ويضيفون بعد ذلك احتكار آخر، ويستمر التكاثر في البوليمرات الحية إلى أن ينهي أسلوبين التطرفين.

الإضافة الرئيسية

وقد أصبحت عدة مكبرات للبوليمرات مائلة في الإلكترونيات المرنة:

  • Polyethylene (PE): ] The simplest and most widely produced polymer. Low — Low-density polyethylene (LDPE) offers excellent flexibility and is used in protective movies and encapsulation layers.
  • Polypropylene (PP):] Known for its high tensile strength, chemical resistance, and fatigue resistance. PP is often used in hinge-like structures in wearable bands and casings.
  • Polyvinyl Chloride (PVC): ] can be plasticized to achieve varying degrees of flexibility. It is used in wiring insulation and flexible substrates, though concerns about environmental impact have led to reduced usage in some regions.
  • Polystyrene (PS) and its copolymers:] Styrenebased polymers like polystyrene —butadiene rubber (SBR) provide a balance of rigidity and elsyity, useful in sensor housings and stretchable interconnects.
  • Polyethylene Terephthalate (PET):] Although technically a condensation polymer, PET is commonly grouped with addition polymers in electronics due to its widespread use in flexible substrates. It offers high transparency, dimensional stability, and low cost.
  • Polymethyl Methacrylate (PMMA): ] Acrylic glass with excellent optical clarity and UV resistance. PMMA is used as a protective cover layer and light guide in flexible displays.
  • Polyimides (PI): ] While often synthesized via condensation, some polyimides are produced via addition routes. they provide outstanding thermal stability andميكانيكيal properties, making them essential for high-temperature flexible circuits.

Properties that Make Addition Polymers Ideal for Flexible Electronics

وتمتلك البوليمرات الإضافة مزيجاً من الخصائص الفيزيائية والكيميائية تجعلها مناسبة بشكل فريد للبيئة المتطلبة من الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء والمرنة، وتُستخدم هذه الخواص في التحكم في الاختيار الأحادي، والوزن الجزيئي، والتفرع، والربط بين بعضها البعض أثناء التوليف.

المرونة والارتقاء الميكانيكي

والقدرة على القذف والطوي والتمدد دون التشقق هي أهم متطلبات الإلكترونيات القابلة للارتداء، كما أن السلاسل الطويلة والمتشابكة من البوليمرات الإضافية تستوعب الإجهاد الميكانيكي من خلال التقلبات والتوجهات السلاسل بدلاً من كسر الرشوة، وعلى سبيل المثال، فإن أجهزة البوليثيلين المنخفضة الحرارة في التحول الزجاجي (Tg) تكفل مرونة واسعة النطاق

الشفافية والوضوح البصري

وهناك العديد من البوليمرات التي تبث الضوء المرئي مع الحد الأدنى من الارتداد، مما يجعلها مثالية للوصلات البينية البصرية - يجب أن تحافظ الشبهات، وطبقات التكديس، والأفلام التي تغطيها على وضوح كبير مع حماية المكونات الأساسية، كما أن البوليمرات مثل PMMA وبوليمرات الفول الزعنفة الدورية تحقق ⁇ 90 في المائة من انتقالها في الطيف المرئي.

العزل الكهربائي والجهاز الديليكتري

وتُعدُّ البوليمرات الإضافة مُعدَّلة كهربائية ممتازة بسبب العمود الفقري المشبع ونقص ناقلات الشحنات المتنقلة، كما أن ارتفاع قوتها الغذائية (التي تتجاوز في كثير من الأحيان 20 كيلوفولط/م) يحول دون وجود دوائر قصيرة بين الآثار السلوكية، وفي لوحات الدوائر المطبوعة المرنة، توفر أفلام البوليميد عصياً موثوقاً به حتى بعد آلاف دورات الإقراض.

القابلية للتجهيز والتقسيم

ويمكن معالجة البوليمرات الإضافة بطرق متنوعة: القذف، وحرق الحقن، والصبغ المذيب، وتركيب الشوائب، والطباعة 3D، وبالنسبة للأجهزة الإلكترونية ذات النوافذ العالية، وتركيب العصور، والطباعة المتينة، ورسم الترميز، يتيح تصنيع اللكميات على مواضع مرنة على الشبكة العالمية، وهذا التدرج ضروري للتبني التجاري، حيث أنه يخفض التكاليف والزيادات من خلال

الدوام والمقاومة البيئية

وتواجه البوليمرات الإضافة مقاومة متأصلة للعديد من هذه الإجهادات، وتقاوم البوليبروبيلين الأحماض والأكليس والمذيبات العضوية، وتظهر البوليميدات ثباتات حرارية استثنائية (يزيد استخدامها باستمرار إلى 300 درجة مئوية).

التطبيقات الرئيسية لبوليمرات الإضافات في الأجهزة القابلة للزراعة والإلكترونيات المرنة

ويمتد النشر العملي لبوليمرات الإضافة إلى كل طبقة وظيفية تقريبا ضمن جهاز إلكتروني مرن، ويتجاوز ذلك أهم المجالات التي أصبحت فيها هذه المواد أمرا لا غنى عنه.

المناطق الفرعية المرنة والخطط الاحتياطية

أما المقياس الفرعي فهو الأساس الميكانيكي الذي تودع فيه المكونات الإلكترونية أو تسند إليه، وبالنسبة للأجهزة القابلة للارتداء، يجب أن يكون الصنف الفرعي خفيفة الوزن، رقيقة، قابلة للذوبان، ومتوافقة مع التجهيزات اللاحقة، كما أن التكتل المتعدد المقاييس المحتوي على الترسبات المتعددة الإيثيلين، هي أكثر طبقات تعددية شيوعا في الدوائر المرنة.

المكبّرات وأجهزة باريير

كما أن حماية المكونات الإلكترونية الحساسة من الأكسجين والرطوبة والأضرار الميكانيكية أمر حاسم بالنسبة لطول الأجهزة، حيث تستخدم طبقات التكديس البوليمري كحاجز مادي وأجهزة غسيل ديليكتري، أما بالنسبة للأجهزة الإلكترونية العضوية التي تتحلل بسرعة في وجود الماء والأكسجين، فتستخدم أكوام متعددة من المبيدات والأفلام غير العضوية مثل البلازما.

ومن أمثلة التقدم المحرز مؤخراً استخدام أفلام بوليمرات عالية السعة ] تحقق معدلات نقل بخار الماء دون 10-5 غرام/م2/يوم، مقارنة بالزجاج، مع بقاءها مرنة.

:: إجراء أفلام بوليمرات ومركبة

ويشكل إنشاء آثار وكميات مرنة من الوصلات والكهرباء تحدياً رئيسياً، أما البوليمرات الإضافة نفسها فهي مصممة، ولكن يمكن جعلها مُتسَّرة بمواد مُسلَّمة (الناتووبات الكربونية، والنوويات الفضية، والغرافيين) أو باستخدام البوليمرات الجاهزة ذات الصلصة مثل البولي (3،4، الميثيوفين)

وثمة نهج آخر يشمل إدراج نويب الفلزات أو نانووب الكربون في مصفوفة متعددة المقاييس لإنشاء وصلات متداخلة قابلة للتمديد، وعندما يمتد البوليمر، ينزلق النانوي ويعيد توجيهه، ويحافظ على الممرات الكهربائية، وهذا المفهوم مركزي بالنسبة ل]]]] [الإطارات التجارية] ]، فيما يتعلق بالشبكات الإلكترونية والرصد الصحي.

أجهزة الاستشعار والمنشطات

وقد أصبحت أجهزة الاستشعار القائمة على البوليمرات العمود الفقري العمود الفقري لمراقبي الصحة القابلين للارتداء، ويمكن للمستشعرات الإجهادية التي تُجرى من أفلام البوليمر المرنة (مثلاً، تولد أجهزة متعددة الدي ميثيلسيلوكسين، أو جهاز ثنائي البيريتان) التي تستخدم فيها المعاطف المسيّسة أن تكتشف حركة مشتركة، وتتنفس، والنبض.

ويعتمد المشتغلون بالكهرباء الذين يحولون الطاقة الكهربائية إلى حركة - أيضا على البوليمرات الإضافية، ويستخدم الملاجئون الديموقراطيون الديليكتريون شطيرة من البوليمير الرقيقة بين الكهروديس الممتثلة، وعندما يطبق الفولط، فإن الضغط الكهروستاني يضغط على الفيلم، مما يؤدي إلى التوسع في المنطقة، ويجري استكشاف هذا التأثير الاصطناعي للارتباكات الخافتة في الوصلات الاصطناعية.

تخزين الطاقة: البطاريات المرنة والمكثفات

وتحتاج الأجهزة القابلة للزراعة إلى مصادر للطاقة تكون مرنة بنفس القدر، فالبطاريات التقليدية التي تستخدم الليثيوم المزودة بغطاءات صلبة غير ملائمة، ويقوم الباحثون بتطوير بطاريات ذات مواصفة عالية من الرش باستخدام الكهرباء البوليمرية وأجهزة الكهرباء المرنة ذات الصبغة الكهربية المرنة، كما أن الأوكسيد الثنائي الفينيل متعدد البيروئيات يرتدى الليثيوبي الميكانيكية.

تكنولوجيات التلاعب

وتتاح شاشات العجلات الذكية، وخطوط اللياقة، والهواتف القابلة للطي بواسطة مقاطعات متعددة المرات، وأجهزة للمسح، وتُبنى عروض الأشعة فوق البنفسجية على طائرات عمودية يمكن نقلها من ناقلات التصنيع، وتُستخدم هذه المصفوفات المتعددة الألياف ذات الصبغة العالية لحماية الأجهزة المتفجرة المرتجلة من الرطوبة، وغالبا ما تكون متغيرة طبقات من الورق المسموم والنسيج.

الابتكارات والاتجاهات المستقبلية الأخيرة

وتمضي البحوث التي تجرى في مجال البوليمرات الإلكترونية المرنة بسرعة، مدفوعة بالحاجة إلى أداء أعلى، والاستدامة البيئية، والوظيفيات الجديدة.

ذاتي الشفاء

فالضرر الميكانيكي مثل الخدوش أو القطع أو الكراك يمكن أن يسبب فشل الجهاز، إذ أن تعدد البوليمرات التي تُعالج ذاتياً تتضمن سندات دينامية قابلة للعكس (مثل سندات الهيدروجين، وسندات المنشق) يمكن أن تصلح بعد انقطاع، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تستعيد أجهزة الغسل الطويلة القائمة على البوليوريثان بممتلكات التعافي الذاتي وظيفتها العزلة بعد أن تُصَب، مما يُطَقَع على نطاق واسع من الحساس.

Polymers يمكن التحلل البيولوجي والاستدامة

فالنفايات الإلكترونية مصدر قلق متزايد، إذ إن تطوير البوليمرات الإضافة القابلة للتحلل الأحيائي التي يمكن أن تتحلل بأمان بعد أن تكتسب الحياة المفيدة للجهاز اهتماماً، إذ أن المواد ذات التأثيرات المتعددة التكتيكات في المواد ذات التأثيرات العالية جداً في البيئة، وتعدد البوليمرات الاصطناعية التي كثيراً ما تتحول الهيدرولوريد إلى منتجات غير سمية، يستكشف الباحثون هذه المواد باعتبارها طبقات فرعية وتركيب.

أجهزة إلكترونية ثابتة ذات مقذوفات بوليمر

New blends of elastic polymers (e.g., styreneethylene —‐butylene —styrene, SEBS) with conductive fillers or intrinsically conductive polymers are achieving high extensionability ( ⁇ 100% strain) while maintaining conductivity. These materials enable fully extendable circuits that can be integrated into clothing or directly onto the skin. The recent demonstration of [FL]

الدمج مع النسيج الأيوتى والذكى

ومع تدنية الأجهزة القابلة للارتداء، فإن الحاجة إلى الاتصالات اللاسلكية وتجهيز البيانات تنمو، وتيسر البوليمرات الإضافة إدماج الهوائيات والمجسات وملوثات المايكرويف في النسيجات والمرنات، ويمكن نقل الخيوط المتعددة الزعنفة إلى ملابس لخلق التقاربات غير المستجيبة للضوء، ويمكن لمنتجات الطاقة القائمة على البوليمر أن تثبط الطاقة من النسيج.

خاتمة

وقد انتقلت البوليمرات الإضافة من مواد التغليف البسيطة إلى المكونات الأساسية في أكثر النظم الإلكترونية مرونة، وتعالج المرونة المتأصلة والشفافية والعزلة الكهربائية والقدرة على التجهيز المتطلبات الأساسية للأجهزة القابلة للذوي التي يجب أن تكون مريحة وموثوقة ومصنوعة على نطاق واسع، وتتجاوز هذه المقاييس الفرعية المرنة والمستوصفات إلى الأفلام الجاهزة، والأجهزة الاستشعار، وتخزين الطاقة، وتدمج في كل مجموعة من أنواع البحوث المتطورة.