US-Forscher entwickeln selbstheilende Schaltkreise

Mit flüssigem Metall gefüllte Mikrokapseln befinden sich auf einer goldenen Leiterbahn. Sie öffnen sich bei einem unterbrochenen Schaltkreis, füllen die entstandene Lücke und stellen die Leitfähigkeit wieder her (Bild: Scott White / University of Illinois).

Wissenschaftler der Universität Illinois haben ein Selbstheilungsverfahren für Elektronik entwickelt, das die Leitfähigkeit ausgefallener Schaltkreise innerhalb einer Millisekunde wiederherstellen soll. Sie wollen damit die Verlässlichkeit der immer dichter gepackten Chips erhöhen, die keine Reparatureingriffe von außen zulassen.

„Bei mehrlagigen integrierten Schaltkreisen ist nichts mehr zu öffnen“, erklärt Nancy Sottos, Professorin für Ingenieur- und Materialwissenschaften an der University of Illinois. „Es ist üblich, den ganzen Chip auszutauschen. Das trifft auch auf einen Akku zu. Man kann einen Akku nicht einfach aufreißen und nach der Ausfallursache suchen.“

Die Forscher gehen das Problem mit einer Technik an, die sie zuvor für selbstheilende Polymerstoffe entwickelt hatten. Sie platzieren kleine Mikrokapseln mit einem Durchmesser von weniger als 10 Mikrometer, die mit flüssigem Metall gefüllt sind, auf einer goldenen Leiterbahn. Ausgelöst durch einen beschädigten Schaltkreis, brechen die Mikrokapseln auf und geben eine flüssige Gallium-Indium-Legierung frei. Diese füllt eine entstandene Lücke und stellt damit die Leitfähigkeit wieder her.

„Wir demonstrieren hier die automatische Heilung eines elektrischen Schaltkreises mit fast vollständiger Wiederherstellung der Leitfähigkeit (etwa 99 Prozent) innerhalb von weniger als einer Millisekunde nach der Beschädigung“, erläutern Sottos und ihre Kollegen das Verfahren in der Fachzeitschrift Advanced Materials. „Mit einer relativ geringen Menge von Mikrokapseln, verteilt über die Goldleitungen, heilen alle beschädigten Schaltkreise mit hoher Effizienz. Dieses automatische Selbstheilungssystem zeigt das Potenzial für nachhaltigere elektronische Geräte mit erhöhter Fehlertoleranz, größerer Verlässlichkeit der Schaltkreise und längerer Nutzungsdauer.“

In der praktischen Anwendung wollen sich die Forscher zunächst darauf konzentrieren, die Sicherheit und Haltbarkeit von Akkus zu verbessern. Besonderen Nutzen erwarten sie beim Einsatz in Luft- und Raumfahrt, wie Sottos ausführt: „In einem Flugzeug, insbesondere einem militärischen, verlaufen kilometerlange Leitungen. Es ist oft nicht festzustellen, wo es zu einer Unterbrechung kam. Hier kommt die selbständige Funktionsweise ins Spiel – um den Ort des Bruchs zu ermitteln, auch wenn wir ihn nicht kennen.“