在集成芯片内,一段微小的电路断裂或出现故障,整个芯片,甚至整个装置就不能用了。但是,如果它可以进行自我修复的话,会怎么样呢?而且它会修复得这么快,以致用户根本不知道出了问题。7 u! b, c. ~% q$ n( c
伊利诺伊大学(University of Illinois)的一组工程师已开发出一种自我修复系统,可恢复断裂电路的导电性,时间不到一瞬间。他们的领导是航空航天工程教授斯科特•怀特(Scott Whit)以及材料科学和工程教授南希•索拓斯(Nancy Sottos),研究人员在线发表了他们的成果,题为《自动恢复导电率》(Autonomic Restoration of Electrical Conductivity),就在12月20日的《先进材料》(Advanced Materials)杂志上。
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“这简化了系统,”化学教授杰弗里•摩尔(Jeffrey Moore)说,他是论文的联合作者。“没有必要嵌入多余备用系统,或嵌入传感诊断系统,这种材料设计本身就可以处理这种问题。”3 E- w/ k" Y0 B& d8 M
电子设备在不断发展,以执行更复杂的任务,厂家也在把尽可能大的密度集成到芯片上。然而,这样的密度会引发可靠性问题,比如,有的故障就产生于波动的温度周期,因为设备会运行或疲劳。故障出现在电路中的任何一点,都会关掉整个设备。; S( B( v! X; ]0 y* h$ o6 c% x! g/ \
“一般情况下,没有多少办法进行手工修复,”索拓斯说。“有时候,你只是无法进入里面。在多层集成电路中,不可能拆开它。通常,你就会更换整个芯片。真的是这样,电池也一样。你不能取下电池,费力找到故障的根源。”8 q' ~) A- M8 w) g
大多数消费电子设备,应该是更换得有些频繁,这也增加了电子废旧品问题,但是,许多重要的应用,比如太空或军事装备的仪器或车辆,电气故障就不能更换或修复。
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图中显示,破裂的微胶囊中流出灰色液态金属,填满裂缝,恢复电流。 来源:伊利诺伊大学
$ G& N0 Q+ ]# ^' G( _( y伊利诺伊大学的小组以前开发出一种系统,用于自愈型高分子材料,他们决定改进他们的技术,以用于导电系统。他们分散开细小的微胶囊,这些胶囊直径小到10微米,散布到黄金线上,这种金线的作用就相当于电路。当裂缝扩散时,这些微胶囊就会破裂,释放出里面的镓-铟液态金属。这种液态金属会填充在电路裂缝中,恢复电流畅通。& e, E9 H3 P$ ?5 `* p# G- b
“真正酷的是,这篇论文是第一个案例,就是使用这种基于微胶囊的修复技术,使它发挥一种新的作用,”怀特说。“在此之前,一切都是结构性修复。这是进行电导性恢复。它表明,这种概念也可以用于其他东西。”2 s6 v# U! k {3 j: n- p
故障中断电流只有几微秒,因为液态金属会立即填补裂缝。研究人员证明,他们90%的样本会修复99%的原始电导率,即使只有少量微胶囊也是这样。% _9 d, C# Y- U7 L! ~' l1 A
这种自愈系统还有一些优势,就是局部性和自主性。微胶囊只有在有裂缝截住时,才会打开,所以,修复只出现在开裂点。此外,它不需要人为干预或诊断,要轻松地进行,找到损坏的地方进行修复是不可能的,比如电池就是这样,或者说,找到故障的根源是很难的,比如飞机或航天器。
# j& d; n1 ` @: v7 k4 Y“在飞机上,特别是防空飞机,有很多英里长的导电线,”索拓斯说。“你常常不知道哪里出了故障。这种自主部分非常好,它知道哪里有故障,即使我们不知道。”4 K" f, [& l6 \' _6 [7 R6 f6 {9 L
接下来,研究人员计划进一步完善他们的系统,探索其他可能性,以利用微胶囊控制电导率。他们特别感兴趣的,是使用这种微胶囊自我修复系统做电池,提高它们的安全性和使用寿命。: I: K9 Z# a7 ^; F7 f: C7 F' u
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