Turun yliopistossa on kehitetty uudenlainen valmistustekniikka joustavalle elektroniikalle, kuten elektroniselle iholle tai antureille. Ratkaisussa tutkijat ovat valjastaneet luonnon fraktaalirakenteet parantamaan joustavien elektronisten laitteiden suorituskykyä.

Turun yliopiston joustavan elektroniikan tutkimusryhmä on kehittänyt uuden valmistusmetodin kasvin lehtiluurankojen fraktaalirakenteiden jäljentämiseen erilaisissa materiaaleissa.  Fraktaalikuviot ovat itseään toistavia rakenteita, joissa sama muoto toistuu yhä pienemmässä mittakaavassa.

Turussa valmistettiin fraktaalikuviota jäljitteleviä pintoja hyödyntämällä kuivattuja puunlehtien luurankoja. Lehtiluurankojen päälle suihkutettiin eri valmistusmateriaaleja, minkä jälkeen uusi pinta erotettiin ja tutkijat vertailivat eri materiaaleista valmistettujen pintojen rakenteen ominaisuuksia ja kestävyyttä.

Tämä biomimeettinen eli luonnon rakenteita jäljittelevä pinta on venyvä, hengittävä ja ihmisen ihoa mukaileva, minkä ansiosta se soveltuu hyvin joustavan elektroniikan sovelluksiin. Tutkijat onnistuivat jäljittelemään lehtiluurankojen kuviota 90 prosentin tarkkuudella.

Fraktaalikuviopinnan etuna on, että sen itseään toistava hierarkkinen rakenne maksimoi pinta-alan säilyttäen samalla pinnan mekaanisen joustavuuden.  Kuviot parantavat pintojen venyvyyttä, minkä lisäksi elektronisissa materiaaleissa rakenne parantaa sähkönjohtavuutta, energiatehokkuutta, energian tasaista jakautumista ja varauksen kuljetusta.

Uuden tekniikan ominaisuudet takaavat kestävyyden ja korkean suorituskyvyn mekaanisessa rasituksessa ja tekevät pinnoista ihanteellisia uuden sukupolven joustavan elektroniikan sovelluksiin. Näitä ovat muun muassa puettavat anturit, läpinäkyvät elektrodit ja elektroninen iho.

Vaikka lehtiluurangot ovat fraktaalirakenteeltaan erinomaisia, ne eivät ole luonnostaan venyviä, kestäviä tai skaalautuvia kiinteiden mittojensa ja hajoavuutensa vuoksi. Jäljittelemällä näitä luonnollisia kuvioita venyvillä ja rasitusta kestävillä polymeereillä Turun yliopiston tutkijat pystyivät valmistamaan joustavia ja pitkäikäisiä materiaalipintoja, joita on mahdollista tuottaa myös laajamittaisesti.

Jotta lehtiluurankoihin perustuvista polymeeripinnoista saatiin johtavia, tutkijat suihkuttivat hopeasta valmistettuja nanolankoja ohueksi kerrokseksi niiden päälle. Näin pinnan resistiivisyydeksi saatiin noin 20 ohmia. Tämän jälkeen johtavia pintoja testattiin erilaisissa joustavan elektroniikan sovelluksissa: kosketustunnistuksessa, lämmityksessä ja elektronisessa ihossa.

Tutkijoiden kehittämä valmistustekniikka on kestävämpi kuin perinteiset puhdastilaa vaativat menetelmät, sillä se vaatii vähemmän energiaa ja voidaan suorittaa kontrolloitujen ympäristöjen ulkopuolella. Lisäksi hopeananolangat voidaan korvata kestävämmillä johtavilla materiaaleilla riippuen valmistettavasta laitteesta, mikä vähentää ympäristövaikutuksia entisestään.

’’Olemme onnistuneet yhdistämään luonnon tehokkaat mallit nykyaikaisiin materiaaleihin, mikä avaa uusia mahdollisuuksia joustavalle ja puettavalle elektroniikalle’’, sanoo väitöskirjatutkija Amit Barua.

Hänen mukaansa uudella biomimeettisellä lähestymistavallamme on mahdollista ohittaa puhdastilateknologioiden tarve monimutkaisia arkkitehtuureja valmistettaessa ja siten osaltaan vähentää hiilidioksidipäästöjä. Suuren mittakaavan tuotannossa voidaan käyttää tietokoneavusteisia suunnittelumalleja (CAD) ja äärellisen elementin menetelmää (FEM) biomimeettisten mallien valmistamiseksi mestarikeräimillä.

Lisää: Biomimetic freestanding microfractals for flexible electronics  -artikkeli Naturen Flexible Electronis tiedelehdessä (LINKKI)

Kuva: Väitöskirjatutkija Amit Barua kuuluu Turun yliopiston kone- ja materiaalitekniikan laitoksen Materials for Flexible Devices –tutkimusryhmään. Ryhmää johtaa apulaisprofessori Vipul Sharma. Kuva: Timo Laukkanen/Turun yliopisto.