Ingenieros de Virginia Tech resolvieron cómo las gotas de metal líquido enterradas en materiales blandos se conectan hasta formar circuitos que funcionan, un problema abierto desde hace años en la electrónica estirable. La respuesta está en grietas diminutas que se abren cuando el material se presiona y que después quedan llenas de metal.

El estudio viene del laboratorio del ingeniero mecánico Michael Bartlett, con los candidatos a doctorado Wuzhou Zu y Hugh P. Grennan como coautores. Está ligado al premio CAREER que Bartlett recibió de la National Science Foundation.

Un problema de la electrónica blanda

La electrónica que se estira, se dobla o se flexiona, como los sensores ponibles y los robots que cambian de forma, suele usar metal líquido para conducir la corriente. Los compuestos de metal líquido00452-2>) combinan la conductividad de un metal con la flexibilidad de un material blando.

El equipo de Bartlett usa galio indio eutéctico, una aleación que es líquida a temperatura ambiente. Bajo el microscopio se ve como un conjunto de esferas diminutas, y cuando esas esferas se tocan se fusionan en caminos para la corriente eléctrica. Un polímero o un caucho mantiene las gotas en su lugar, pero ese material también llena los espacios entre ellas.

Ahí aparece el enigma. Si entre las gotas hay un aislante, ¿cómo pasa la corriente? Según Bartlett, investigadores de todo el mundo llevan años usando presión mecánica para convertir estos compuestos en conductores, sin entender qué pasa adentro. El objetivo, dijo, era descubrir el mecanismo físico que permite que gotas de metal líquido aisladas se conviertan de pronto en una red eléctrica.

¿Cómo se forma el circuito?

El equipo usó microscopios e imágenes de rayos X en 3D para observar lo que pasa mientras el material se comprime. Al presionarlo, el material que separa gotas cercanas se agrieta y el metal líquido fluye hacia esos huecos. Cuando se retira la presión, el metal se queda en las grietas y forma un camino que la electricidad puede seguir.

Zu explicó que el equipo observó el proceso en dos dimensiones y después reconstruyó los caminos en tres, para ver cómo las grietas locales crecen hasta formar una red conductora.

Un modelo que predice la fuerza

Los investigadores también armaron un modelo matemático que predice cuánta fuerza hace falta para que el material conduzca. El modelo se sostuvo en muchos diseños, desde gotas de un milímetro hasta gotas de apenas unas decenas de micrómetros de ancho.

Grennan dijo que vincular la formación de esos caminos con un modelo de mecánica de fractura permite ahora "diseñar compuestos de metal líquido que se activen con las fuerzas y a las escalas de longitud necesarias".

¿Para qué sirve en la práctica?

El marco podría ayudar a los fabricantes a controlar dónde se forma la conductividad en sensores estirables, electrónica ponible y robots blandos. Como ahora se entiende el mecanismo, los diseñadores pueden usarlo para orientar el diseño del material y su fabricación.

Según Bartlett, eso abre la puerta a sistemas electrónicos blandos en los que la conductividad se programa a través de la arquitectura del material y de la forma en que se procesa el dispositivo.

El estudio se publicó en la revista Matter00452-2>).