دانشمندان متوجه شدهاند که کشیدن یک ماده الکترونیکی همیشه باعث اُفت عملکرد آن نمیشود؛ نتیجه به جهت کشیدهشدن بستگی دارد. در یک آزمایش شبیهسازیشده، کشش پنجدرصدی در یک جهت حرکت بارهای الکتریکی را ۵۵ درصد بهتر کرد، اما همان کشش در جهت دیگر عملکرد را ۳۳ درصد کاهش داد. این کشف میتواند به ساخت لباسها، حسگرها و تجهیزات الکترونیکی پوشیدنی کمک کند که هنگام کشیدهشدن و خمشدن همچنان درست کار کنند.
پژوهشگران با ترکیب شبیهسازی دینامیک مولکولی و یادگیری ماشین نشان دادهاند که کشیدن یک نیمهرسانای آلی در جهتهای مختلف، اثرهای کاملاً متفاوتی بر انتقال بار الکتریکی دارد. در این مطالعه، کشش پنجدرصدی بلور پنتاسن در یک جهت، تحرک بار را ۵۵ درصد افزایش داد، در حالی که همین میزان کشش در جهتی دیگر، تحرک بار را ۳۳ درصد کاهش داد؛ یافتهای که میتواند به طراحی نسل جدیدی از قطعات الکترونیکی کشسان و سامانههای پوشیدنی کمک کند.
به گزارش سیناپرس، تصور کنید نمایشگری روی پوست قرار گرفته، حسگری سلامت روی بدن چسبیده یا پوستی الکترونیکی در حال اندازهگیری فشار و حرکت است. چنین تجهیزاتی باید در هنگام خمشدن، کشیدهشدن و تغییر شکل، همچنان عملکرد الکتریکی قابلاعتمادی داشته باشند. همین مسئله یکی از چالشهای اصلی در توسعه نسل جدید الکترونیک کشسان (Stretchable Electronics) بهشمار میرود؛ زیرا تغییر شکل مکانیکی میتواند نحوه حرکت بارهای الکتریکی در مواد تشکیلدهنده این قطعات را تغییر دهد.
در میان مواد مختلفی که برای ساخت سامانههای الکترونیکی انعطافپذیر و کشسان بررسی میشوند، بلورهای مولکولی منفرد گزینهای امیدوارکننده محسوب میشوند. با این حال، تاکنون مشخص نبود که در مقیاس مولکولی دقیقاً چه اتفاقی رخ میدهد که کشش مکانیکی میتواند عملکرد الکتریکی چنین بلورهایی را بهبود دهد یا کاهش دهد.
اکنون پژوهشگران دانشگاه تسینگهوا (Tsinghua University) و دانشگاه فناوری نانیانگ (Nanyang Technological University) با استفاده از ترکیبی از دینامیک مولکولی (Molecular Dynamics) و یادگیری ماشین (Machine Learning) تلاش کردهاند این سازوکار را روشن کنند. نتایج این پژوهش در نشریه Wearable Electronics منتشر شده است و رابطه میان کرنش مکانیکی و تحرک بار در بلورهای مولکولی را بررسی میکند.
هدف اصلی پژوهشگران، ایجاد مدلی بود که بتواند از روی آرایش مولکولی یک ماده، میزان کوپلش الکترونیکی (Electronic Coupling) را پیشبینی کند. کوپلش الکترونیکی معیاری برای توصیف سهولت انتقال بار از یک مولکول به مولکول دیگر است. از این رو، بررسی تغییرات آن میتواند نشان دهد که یک ماده در اثر کشیدهشدن چگونه مسیر حرکت بارهای الکتریکی را تغییر میدهد.
شوژو لی (Shuzhou Li)، نویسنده ارشد و مسئول مکاتبات پژوهش، توضیح داد که قطعات الکترونیکی انعطافپذیر هنگام کار در معرض تنشهای مکانیکی مانند کشش و خمشدن قرار میگیرند. به گفته او، عملکرد بدون اختلال این قطعات مستلزم آن است که در کنار انعطافپذیری بالا، عملکرد الکتریکی قابلاعتمادی نیز داشته باشند.
پژوهشگران برای بررسی این مسئله، یک نیمهرسانای آلی شناختهشده به نام پنتاسن (Pentacene) را انتخاب کردند. پنتاسن یک ماده آلی نیمهرسانا است که ساختار مولکولی آن امکان بررسی دقیق تغییرات انتقال بار در اثر تغییر شکل مکانیکی را فراهم میکند.
نتایج شبیهسازی نشان داد که اثر کشش به جهتی که بلور در آن کشیده میشود، وابستگی شدیدی دارد. هنگامی که بلور پنتاسن به میزان پنج درصد در راستای محور a کشیده شد، تحرک بار الکتریکی در راستای محور b حدود ۵۵ درصد افزایش یافت. اما وقتی همین میزان کشش در راستای محور b اعمال شد، تحرک بار حدود ۳۳ درصد کاهش پیدا کرد.
این تفاوت قابلتوجه نشان میدهد که نمیتوان اثر کشش را در مواد نیمهرسانای آلی صرفاً با یک رابطه ساده میان میزان تغییر شکل و عملکرد الکتریکی توصیف کرد. جهت اعمال نیرو و نحوه واکنش ساختار مولکولی به آن، نقش تعیینکنندهای در مسیر انتقال بار دارد.
تحلیل توپولوژیکی ساختار بلور به پژوهشگران کمک کرد دلیل این رفتار متفاوت را پیدا کنند. هنگامی که کشش در راستای محور a اعمال شد، مولکولها به یکدیگر نزدیکتر شدند. این تغییر آرایش، شبکهای مناسبتر برای انتقال بار ایجاد کرد و موجب افزایش تحرک الکتریکی شد.
در مقابل، کشش در راستای محور b مولکولها را از یکدیگر دورتر کرد. در نتیجه، مسیر انتقال بار دشوارتر شد و تحرک بار کاهش یافت. به بیان سادهتر، در یک جهت، کشیدن ماده مانند آن بود که مسیر حرکت بارهای الکتریکی را هموارتر کند، اما در جهت دیگر، همین عمل باعث ایجاد مانع در این مسیر شد.
پژوهشگران همچنین دریافتند که کشش در راستای محور b حرکت مولکولها را بهطور قابلتوجهی افزایش میدهد. افزایش این حرکت مولکولی باعث گستردهتر شدن دامنه کوپلشهای الکترونیکی میشود و در نهایت انتقال بار را بیشتر محدود میکند.
شی چن (Xi Chen)، نویسنده اصلی پژوهش، تأکید کرد که این یافته میتواند مرزهای کاربرد مدلهای سادهتر برای پیشبینی رفتار مواد تحت کرنش را مشخص کند. برخی مدلهای محاسباتی اثر حرکت و نوسان مولکولی را نادیده میگیرند و در نتیجه ممکن است در پیشبینی رفتار واقعی ماده هنگام کشیدهشدن دقت کافی نداشته باشند.
اهمیت این یافته برای حوزه الکترونیک کشسان در این است که قطعات پوشیدنی برخلاف تراشههای معمولی در شرایط کاملاً ثابت کار نمیکنند. حسگرهای نصبشده روی پوست، تجهیزات پایش سلامت، پوستهای الکترونیکی و سامانههای محاسباتی پوشیدنی دائماً در معرض حرکت، خمشدن و کشش قرار دارند. بنابراین، شناخت رفتار مواد در برابر این تغییر شکلها برای حفظ عملکرد الکتریکی آنها ضروری است.
این پژوهش میتواند به طراحی هدفمندتر بلورهای آلی برای استفاده در تجهیزات پوشیدنی کمک کند. بهجای آنکه تنها به دنبال موادی با رسانایی بالا در حالت بدون تنش باشیم، میتوان ساختارهایی را طراحی کرد که هنگام کشیدهشدن نیز مسیرهای مناسبی برای انتقال بار حفظ کنند یا حتی عملکرد آنها در شرایط خاص مکانیکی بهبود یابد.
به نقل از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، ترکیب شبیهسازیهای مولکولی با یادگیری ماشین نیز امکان بررسی سریعتر رابطه میان ساختار ماده، تغییر شکل مکانیکی و عملکرد الکتریکی را فراهم میکند. چنین رویکردی میتواند در آینده برای شناسایی مواد مناسبتر برای نسل جدید سامانههای الکترونیکی قابلنصب روی پوست و تجهیزات پوشیدنی مورد استفاده قرار گیرد.
در نهایت، یافتههای این پژوهش نشان میدهد که در طراحی الکترونیک کشسان، فقط میزان انعطافپذیری ماده اهمیت ندارد؛ بلکه جهت و نوع تغییر شکل مکانیکی نیز میتواند تعیین کند که جریان بار در ماده با چه سهولتی حرکت کند. درک این ارتباط در مقیاس مولکولی میتواند یکی از گامهای مهم برای ساخت قطعاتی باشد که همزمان کوچک، انعطافپذیر و از نظر الکتریکی پایدار هستند.