《AFM》: イオン性マイクロゲルを使用して、強固な過渡イオン接合を 3D プリントします。

出典: 材料科学と工学

従来の硬い電子デバイスと比較して、新しく登場した柔らかいイオン電子デバイスは、機械的にも電気的にも人体との適合性がより高くなっています。これらは、ヒューマンマシンインターフェース、ウェアラブルデバイスやインプラントデバイス、ソフトマシンにおいて大きな可能性を秘めています。さまざまなイオン電子デバイスにおいて、イオン接合は電気的な pn 接合と同様に電流を整流する上で重要な役割を果たします。しかし、既存のイオン接合は電気的および機械的性能に限界があり、製造が難しく、劣化しやすいという問題がありました。

カナダのマギル大学の学者らが、3D イオンマイクロゲル印刷によって製造された強靭な過渡イオン接合部の設計、製造、特性評価について報告しています。 3D 印刷アプローチは優れた印刷性を実証し、さまざまな構成でイオン接合を高い忠実度で製造することを可能にしました。イオン性マイクロゲル、分解性ネットワーク、高電荷バイオポリマーを組み合わせることで、イオン接合は高い伸縮性（引張限界 27）、高い破壊エネルギー（>1000 J m-2）、優れた電気特性（電流整流比 >100）、および過渡安定性（1 週間以内に分解）を示します。さらに、イオンダイオード、イオンバイポーラ接合トランジスタ、イオン全波整流器、イオンタッチパッドなど、さまざまなイオン電子デバイスが実演されました。この研究は、イオントロニクス、3D プリンティング、分解性ハイドロゲルを組み合わせたもので、高性能な過渡イオントロニクスの将来の開発を前進させるものです。関連記事は、「イオン性マイクロゲルで印刷された強靭な過渡イオン接合部」というタイトルで Advanced Functional Materials に掲載されました。

論文リンク: https://doi.org/10.1002/adfm.202213677

図 1. デュアルネットワークの過渡イオン接続の 3D イオンマイクロゲル印刷 (3D IMP)。 a) p 型、n 型、イオン伝導体ユニットを含むモジュラーイオンマイクロゲルインクを使用した 3D IMP の概略図。 b) 二次 PAAm ネットワークと融合したイオン性マイクロゲルによって形成された一時的なイオン接続の概略図。 c) p 型 (CS) および n 型 (QC) セルのドーパントとして使用される、高電荷で生分解性のバイオポリマーの化学構造。 d) 単一のイオン接合はイオンダイオードとして機能し、非対称の電流-電圧挙動を示します。 e) 劣化が進行している過渡イオン接合の模式図。 f) 印刷された過渡イオン回路のデジタル画像。 g) DPBS 中に印刷されたイオン性リンカーの in vitro 分解を示すデジタル画像と h) 乾燥重量減少。PAAm ネットワークの架橋剤として MBAA を含むハイドロゲルを比較に使用しました。
図 2. イオン性マイクロゲルインクと 3D プリント構造のレオロジー特性。 a) せん断ひずみ γ = 0.5% におけるせん断速度の関数としての複素粘度、および b) CS (9 wt. %)、QC (5 wt. %)、または NaCl (3 M) を含むサンプルの場合。 c) QC（5重量％）を含むマイクロゲルの角周波数ω = 6.28 rad s−1での高せん断（γ = 100％）と低せん断（γ = 0.5％）のひずみサイクル間の自己回復。デュアルマテリアル 3D プリント構造のデジタル画像 (p タイプは赤、n タイプは青)。これには、d) 平面回路構造 (i. 蛇行型、ii. らせん型)、e) はしご型イオン接合部、f) 複雑な 3D 構造 (i. ミニチュア脳、ii. 椎間板、iii. ピラミッド、iv. 交互グリッド、v. ハニカム) が含まれます。図3. イオン接合の電気特性。 a) ゲル電極界面に形成される電気二重層 (EDL) とイオンダイオード界面に形成されるイオン二重層 (IDL) の模式図。 b) バイアス電圧の関数としての電流密度、および (c) 両側のイオン接合の ±5 V における対応する整流比 (電荷が反対、等しい、またはゼロ)。d) バイアス電圧の関数としての電流密度、および (e) 異なるポリ電解質タイプのイオン接合の ±5 V における対応する整流比 (CS は p タイプ、QC は n タイプ、PSS は p タイプ、PDAC は n タイプ)。 (f) バイアス電圧の関数としての電流密度、g) 異なるポリ電解質濃度のイオン接合における ±5 V での対応する整流比。 h) 印刷された CS/QC ヘテロ接合およびホモ接合 (CS/CS、QC/QC) の AC インピーダンス測定のボード位相プロット。インセット内の等価回路モデルへのフィッティング (実線) 付き。 i) DC バイアス下での印刷イオン接合の AC インピーダンス測定のナイキスト線図と j) ボード位相線図。挿入図には等価回路モデル (実線) が示されています。

図4. イオン接合の機械的特性と統合。 a) 純粋せん断試験中のノッチなしの印刷された DN イオン接合部のデジタル画像。 b) 3D IMP および鋳造イオン接合部の最大引張強度と c) 破壊靭性。 d) 力/幅-変位曲線を表すデジタル画像と、f) 3D IMP と鋳造 2 層イオン接合の T 剥離試験の対応する接着エネルギー。 g) 印刷されたイオン接合界面の顕微鏡画像。左側が CS、右側が QC です。
図 5. イオン電子デバイスにおける 3D イオンマイクロゲル印刷の応用。 a) 共通エミッタ構成で接続された 3D プリントイオン BJT の回路図と回路図。 b) 入力電圧 (VEB) が VCE = −1 V でオン (5 V) 状態とオフ (0 V) 状態の間で切り替わるときの出力電流 (IC) 応答。 c) 入力電圧 (VEB) の関数としての出力特性 (IC-VCE) 曲線。 d) 3D プリントされたイオン全波整流器の回路図。 e) 0.002 Hz 正弦波と f) 0.002 Hz 方形波の入力電圧に対する出力電圧。 g) 印刷されたイオン伝導体を集電体として備えた TENG タッチパネルの概略図。 h) タッチパッドのデジタル画像は手の甲の形状に適合します。 i) デジタル画像と j) タッチパッド検出 ➀ シングルタッチと ➁ マルチタッチに対応する正規化された電圧信号。すべての散布図は代表的なデータに基づいて表示されます。
この研究では、強靭な過渡イオン接合の設計、3D プリント、および応用について報告します。さまざまなイオンユニットを高解像度かつ忠実度の高いさまざまなデバイスや構造に製造する際の 3D イオンマイクロゲル印刷の性能とモジュール性が実証されています。優れた印刷品質に加えて、イオン性マイクロゲルはハイドロゲルマトリックスを強化し、異なるイオンユニット間の接着を促進し、機械的特性を大幅に向上させました。印刷されたイオン接合は、高い伸縮性（引張限界 27）、高い破壊靭性（1204 J m−2）、および高い界面靭性（579 J m−2）を達成しました。アガロースマイクロゲル、加水分解性架橋剤、および分解性高分子電解質の組み合わせにより、デバイスは 1 週間以内に分解され、一時的な安定性が実現しました。 CS や QC などの高電荷密度バイオポリマーのおかげで、本研究のイオン接合は ±4.5 V で 123 という極めて高い整流比も達成し、これは以前に報告されたハイドロゲルイオンダイオードの整流比を上回りました。 IDLの形成とイオン接合のファラデー整流過程は、EISデータを使用した等価回路モデルによって確認され、定量的に分析されました。この研究ではさらに、イオンダイオード、イオンバイポーラ接合トランジスタ、イオン全波整流器、イオンタッチパッドなど、さまざまなイオン電子デバイスが実証されました。この研究は、過渡イオントロニクスの設計と製造、および伸縮性デバイスやウェアラブルデバイスへの応用に新たな可能性をもたらします。（文：SSC）

《AFM》: イオン性マイクロゲルを使用して、強固な過渡イオン接合を 3D プリントします。

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