Electrofluids Vol.1: Electrical and mechanical networks in carbonaceous particle suspensions and their potential as liquid electronic components

Abstract

Stretchable and flexible conductors are essential for applications ranging from wearable strain sensors to soft robotic stable interconnects. Conventional materials often fail under large mechanical deformations, while alternatives such as liquid metals overcome breakage but present other limitations. This thesis introduces Electrofluids, a new class of materials composed of conductive filler particles dispersed in non-conductive liquid matrices. Their design leverages filler–matrix affinity to control particle agglomeration and network formation, enabling electrical conductivity at reduced filler loadings. Based on mismatching affinities, conductive emulsions demonstrate volume-exclusion effects that lower electrical percolation thresholds, strategies known for solid composites to liquid systems. Furthermore, the role of the filler is addressed by using different carbonaceous fillers (carbon black, carbon nanotubes, and graphene flakes). Key properties of the fillers, such as aspect ratio, oxygen content, and bending stiffness, are identified as critical for tuning the electromechanical behavior of electrofluids. Finally, it is demonstrated how, by rational selection of filler and matrix, electrofluids can be engineered as strain sensors and stable conductors, offering a versatile platform for next-generation soft electronics.

Dehnbare und flexible Leiter sind essenziell für verschiedenste Anwendungen, die von tragbaren Dehnungssensoren bis zu stabilen Verbindungsstücken für weiche Robotik reichen. Konventionelle Materialien versagen bei großer mechanischer Verformung, während Alternativen wie Flüssigmetalle dieses Versagen vermeiden, jedoch andere Einschränkungen aufweisen. Diese Arbeit stellt Elektrofluide vor, eine neue Materialklasse, die aus leitfähigen Füllstoffpartikeln besteht, dispergiert in nicht-leitfähigen flüssigen Matrizen. Ihr Design nutzt die Affinität zwischen Füllstoff und Matrix zur Steuerung von Agglomeration und Netzwerkbildung, wodurch elektrische Leitfähigkeit bei geringerer Füllstoffmenge erreicht wird. Basierend auf unterschiedlichen Affinitäten zeigen leitfähige Emulsionen Volumenausschlusseffekte, die elektrische Perkolationsschwellen senken; Strategien, die von Kompositen auf Flüssigsysteme übertragen werden. Zudem wird die Rolle des Füllstoffs durch den Einsatz verschiedener kohlenstoffhaltiger Füller (Ruß, Kohlenstoffnanoröhren, Graphenflocken) untersucht. Wichtige Eigenschaften wie Aspektverhältnis, Sauerstoffgehalt und Biegesteifigkeit erweisen sich als entscheidend für die Abstimmung des elektromechanischen Verhaltens. Schließlich wird gezeigt, wie Elektrofluide durch gezielte Auswahl von Füllstoff und Matrix als Dehnungssensoren und stabile Leiter entwickelt werden können und daher eine vielseitige Plattform für die nächste Generation weicher Elektronik darstellen.