20. januar 2024
(Nanowerk Spotlight) Elektroniske enheder, der er indviklet monteret på menneskelig hud, har længe fanget videnskabelig fantasi, og de har pirret specialister ved at love en sømløs sammensmeltning af menneske og maskine. Sådanne hudomspændende kredsløb kunne låse op for medicinske sensorer med hidtil uset skarphed eller bioniske lemmer forbundet til nervesystemet. Men på trods af årtiers ihærdig forskning, har utilstrækkelige materialer hindret fremskridt hen imod dette visionære mål. Nu rapporterer et hold kinesiske materialeforskere om et gennembrud i fremstillingen af tynde vævsfilm, der er ideelle til montering af fleksibel elektronik. Udgiver i Advanced Materials ("Aramid Nanodielectrics for Ultraconformal Transparent Electronic skins"), forskere fra Nankai University detaljerer deres skræddersyede "aramid nanodielektriske" polymerlag - kaldet AND'er - som unikt kombinerer nanoskala tykkelse og vingelignende fleksibilitet med hårdfør modstandsdygtighed over for termiske og kemiske belastninger, der ville ødelægge mere skrøbelige film. Med en tykkelse på kun 100 nanometer – tusindvis af gange tyndere end et menneskehår – kombinerer AND-filmene høj styrke med let vedhæftning til huden. De er også gennemsigtige, åndbare og kan modstå temperaturer på over 300 °C.
Demonstration af ultrakonform elektronik baseret på AND'er. a) Den hierarkiske struktur af aramidfibre. b) Skematiske illustrationer af fremstillings- og selvdelamineringsprocessen for enhederne. c) Fotografi af enhederne på AND'er fremstillet på en 3-tommer siliciumwafer. d) Fotografi, der viser selvdelamineringsprocessen for AND'erne. e,f) Fotografier af den ultrakonforme elektronik baseret på AND'er overført til e) menneskelig hud og f) et blad. (Gentrykt med tilladelse af Wiley-VCH Verlag) "For nye applikationer som bioelektronik muliggør ensartet kontakt med den lokale overflade præcisionssignaloptagelse og komfort," forklarer seniorforfatter Dr. Jian Zhu, materialeforsker ved Nankai University. "Vores OG-film kan gøre det muligt for hudlignende elektronik at tilpasse sig intimt til den indviklede topologiske tekstur af menneskelig hud." Visionen om elektronik, der sømløst smelter sammen med menneskelig fysiologi, har givet næring til glødende forskning i årtier. Også døbt 'epidermal elektronik', brød konceptet ud i populær bevidsthed i 2011, da biomedicinsk ingeniør John Rogers ved University of Illinois afslørede "epidermal temporary transfer tattoo"-enheder, der klæber direkte på huden og registrerer bevægelse og hjertefrekvens. Men sådanne tidlige designs stod over for begrænsninger som potentiel hudirritation under langvarig brug. Crux-udfordringen har været at udtænke tilstrækkeligt tynde, men holdbare materialer, der kan understøtte elektroniske komponenter, mens de bøjer umærkeligt på huden. Elastomerer giver strækbarhed, men minimal åndbarhed. Polymerfilm som parylen udmærker sig som isolatorer, men viser sig at være besværlige at håndtere i nanoskala. Andre muligheder som polyimid kræver kompleks kemisk behandling ved hjælp af ustabile offerlag. Nankai-forskerne forfulgte en ukonventionel tilgang, idet de udledte deres nanodielektrikum fra aramidpolymer, det samme hårdføre materiale, der bruges i Kevlar skudsikre veste. De kalder filmene OG. "Vores aramid nanodielektrikum lover meget som dielektrikum til fremtidig hudlignende elektronik", siger Zhu. Holdet eksfolierer aramid til nanofibre på kun 10 nanometer brede, spincoating dem til film af skræddersyet tykkelse. Den bemærkelsesværdigt stærke intermolekylære binding inden i polymerkæderne forbedrer vedhæftning og varmebestandighed, mens lagene holdes wafertynde. AND'er kan også være gennemsigtige og permeable for vanddamp, hvilket gør dem ideelle substrater til transdermale biosensing-plastre. "OG-film er mekanisk stærke, men alligevel kompatible, glatte og gennemsigtige", siger Zhu. "De er også kemisk inerte, termisk stabile op til 300 -C og selv-adskillelige fra behandlingssubstrater uden ætsende opløsningsmidler." For at demonstrere levedygtighed i den virkelige verden byggede forskerne to meget forskellige enheder ved hjælp af OG-film. Den ene er svedimmune elektroder til præcis overvågning af elektrofysiologiske signaler som elektromyografi og elektrokardiografi. Den anden er fleksibel felteffekt transistor mikroprocessorer tynd nok til at vikle sig rundt om menneskehår uden tab af ydeevne. De hudmonterede sølv nanotrådselektroder med OG-film registrerede med succes muskel- og hjerteaktivitet, selv når testpersoner svedte voldsomt eller badede. Konventionelle gelelektroder svigtede under sådanne forhold, at sved forringer ledningsevnen. Forskerne tilskriver overlegen ydeevne til OG åndbarhed, der forhindrer svedopbygning under detektorer. Kvantitative målinger viste, at 100 nm AND-filmene havde en vanddamptransmissionshastighed, der oversteg 90 % af den frie lufts eksponering. I mellemtiden viste de hårnændende felteffekttransistorer, med OG-film, der fungerede samtidigt som gate-dielektrikum og substrat, fremragende elektroniske egenskaber som lavspændingsdrift ned til kun 4V, mobiliteter på 40 cm2/Vs og tænd/sluk-forhold, der overstiger 100,000. Og de udholdt ekstrem bøjning til omkredse mindre end et menneskehår uden tilsyneladende skader eller ydeevnenedgang. "De ultrafleksible transistorer kan fungere korrekt, når de er viklet rundt om menneskehår uden nogen forringelse af ydeevnen," bemærker Zhu. Zhu hævder, at de fleste eksisterende hudelektronik er afhængige af ikke-standardiserede nanofabrikationsteknikker, der er for skræddersyede til fremstilling i stor skala, hvilket er afgørende for almindelig medicinsk adoption. Men AND-films egnethed til konventionelle litografiske arbejdsgange overvinder denne hindring. "Vores wafer-skala tilgang muliggør masseproduktion og integration med moderne elektronikfremstillingsmetoder," forklarer han. Selvom der er mere arbejde tilbage, før patienterne drager fordel af de fremskridt, der er lovet af fleksibel elektronik, rammer Zhu en tone af tempereret optimisme. "Vi forudser, at aramid-nanodielektrik transformerer næste generation af miniaturiseret medicinsk udstyr og bionik," siger han. "At bringe denne teknologi fra science fiction-området til den kliniske virkelighed kan have en dyb indvirkning på menneskers sundhed.
– Michael er forfatter til tre bøger af Royal Society of Chemistry:
Nanosamfund: At flytte teknologiens grænser,
Nanoteknologi: Fremtiden er lilleog
Nanoengineering: De færdigheder og værktøjer, der gør teknologi usynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bliv en Spotlight-gæsteforfatter! Slut dig til vores store og voksende gruppe af gæstebidragydere. Har du lige udgivet en videnskabelig artikel eller har du andre spændende udviklinger at dele med nanoteknologisamfundet? Sådan udgiver du på nanowerk.com.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
- PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
- PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
- PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
- Kilde: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64467.php
- :har
- :er
- $OP
- 000
- 10
- 100
- 11
- 20
- 2011
- 300
- 31
- 32
- 40
- 7
- 8
- a
- erhvervelse
- aktivitet
- tilpasse
- tilstrækkeligt
- adhærens
- Vedtagelse
- fremskridt
- LUFT
- tillader
- også
- an
- ,
- enhver
- tilsyneladende
- applikationer
- tilgang
- fyrig
- ER
- omkring
- AS
- At
- forfatter
- bevidsthed
- b
- baseret
- BE
- været
- før
- gavner det dig
- Berger
- skræddersyet
- biomedicinsk
- blank
- Bøger
- grænser
- gennembrud
- bygget
- bulletproof
- men
- by
- CAN
- center
- kæder
- udfordre
- kemikalie
- kemi
- kinesisk
- Klinisk
- kombinerer
- komfort
- samfund
- komplekse
- kompatibel
- komponenter
- Konceptet
- betingelser
- ledningsevne
- kontakt
- konventionelle
- kunne
- kernen
- besværlig
- skader
- Dato
- årtier
- Afvis
- demonstrere
- designs
- Trods
- detail
- udvikling
- Enheder
- forskellige
- direkte
- ned
- dr
- døbt
- i løbet af
- e
- Tidligt
- let
- effekt
- elektronisk
- Elektronik
- smergel
- muliggøre
- muliggør
- ingeniør
- Forbedrer
- nok
- væsentlig
- Endog
- Excel
- fremragende
- spændende
- eksisterende
- Forklarer
- Eksponering
- ekstrem
- opdigte
- konfronteret
- mislykkedes
- fibre
- Fiktion
- felt
- film
- Fleksibilitet
- fleksibel
- Til
- forudse
- fra
- næring
- funktion
- sammensmeltning
- fusion
- fremtiden
- gate
- generation
- gif
- mål
- stor
- gruppe
- Dyrkning
- Gæst
- Hår
- håndtere
- Have
- he
- Helse
- Hjerte
- hierarkisk
- Høj
- besidder
- Hvordan
- How To
- HTTPS
- menneskelig
- ideal
- Illinois
- billede
- fantasi
- KIMOs Succeshistorier
- in
- integration
- intimt
- ind
- indviklet
- John
- deltage
- jpg
- lige
- holde
- stor
- storstilet
- lag
- ligesom
- begrænsninger
- lokale
- logo
- Lang
- langsigtet
- off
- maskine
- Mainstream
- Making
- mand
- Produktion
- Masse
- materiale
- materialer
- I mellemtiden
- målinger
- medicinsk
- medicinsk udstyr
- metoder
- Michael
- Mellemøsten
- mindste
- Moderne
- overvågning
- mere
- mest
- bevægelse
- muskel
- navn
- nanoteknologi
- Ny
- næste
- Noter
- nu
- hindring
- of
- on
- ONE
- åbent
- drift
- Optimisme
- Indstillinger
- or
- Andet
- vores
- Papir
- Patches
- patienter
- ydeevne
- tilladelse
- fotografier
- PHP
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatoData
- polymer
- Populær
- potentiale
- Precision
- forebyggelse
- behandle
- forarbejdning
- produktion
- dybt
- Progress
- løfte
- lovede
- Promises
- lovende
- korrekt
- egenskaber
- proteser
- Bevise
- give
- offentliggøre
- offentliggjort
- forlægger
- Publicering
- Pushing
- kvantitativ
- Sats
- virkelige verden
- Reality
- rige
- registreres
- stole
- resterne
- indberette
- kræver
- forskning
- forskere
- Modstand
- Rogers
- Royal
- ruin
- samme
- siger
- Videnskab
- Science Fiction
- videnskabelig
- Videnskabsmand
- forskere
- sømløs
- problemfrit
- senior
- sensorer
- servering
- Del
- viste
- viser
- Signal
- signaler
- Silicon
- Sølv
- samtidigt
- færdigheder
- hud
- mindre
- udjævne
- Samfund
- specialister
- Spin
- Spotlight
- stabil
- Stick
- styrke
- Strejker
- stærk
- struktur
- Succesfuld
- sådan
- overlegen
- support
- overflade
- SVED
- systemet
- skræddersyet
- fristende
- hold
- teknikker
- Teknologier
- midlertidig
- semester
- prøve
- end
- at
- Fremtiden
- deres
- Them
- termisk
- de
- denne
- selvom?
- tusinder
- tre
- gange
- til
- TONE
- også
- værktøjer
- mod
- transdermal
- overførsel
- overført
- omdanne
- gennemsigtig
- to
- ukonventionelle
- under
- entydigt
- universitet
- låse
- uden fortilfælde
- afsløret
- opdateringer
- URL
- brug
- anvendte
- ved brug af
- meget
- levedygtighed
- vision
- visionær
- Vand
- hvornår
- som
- mens
- bred
- med
- inden for
- uden
- Arbejde
- arbejdsgange
- ville
- wrap
- Indpakket
- endnu
- dig
- Din
- zephyrnet