20. Januar 2024
(Nanowerk-Scheinwerfer) Elektronische Geräte, die aufwendig auf die menschliche Haut montiert werden, erregen seit langem die wissenschaftliche Fantasie und verlocken Spezialisten, indem sie eine nahtlose Verschmelzung von Mensch und Maschine versprechen. Solche hautnahen Schaltkreise könnten medizinische Sensoren von beispielloser Schärfe freischalten oder bionische Gliedmaßen freischalten, die mit dem Nervensystem verbunden sind. Doch trotz jahrzehntelanger sorgfältiger Forschung behindern unzureichende Materialien den Fortschritt auf dem Weg zu diesem visionären Ziel.
Jetzt meldet ein Team chinesischer Materialwissenschaftler einen Durchbruch bei der Herstellung hauchdünner Filme, die sich ideal für die Montage flexibler Elektronik eignen. Veröffentlichung in Fortgeschrittene Werkstoffe („Aramid-Nanodielektrika für ultrakonforme transparente elektronische Häute“) beschreiben Forscher der Nankai-Universität detailliert ihre maßgeschneiderten „Aramid-Nanodielektrikum“-Polymerschichten – sogenannte ANDs –, die auf einzigartige Weise nanoskalige Dicke und flügelartige Flexibilität mit robuster Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen und chemischen Belastungen kombinieren, die empfindlichere Filme zerstören würden.
Mit einer Dicke von nur 100 Nanometern – tausendmal dünner als ein menschliches Haar – vereinen die AND-Filme hohe Festigkeit mit einfacher Haftung auf der Haut. Zudem sind sie transparent, atmungsaktiv und halten Temperaturen über 300 °C stand.
Demonstration ultrakonformer Elektronik basierend auf ANDs. a) Die hierarchische Struktur von Aramidfasern. b) Schematische Darstellungen des Herstellungs- und Selbstdelaminierungsprozesses der Geräte. c) Foto der Geräte auf ANDs, hergestellt auf einem 3-Zoll-Siliziumwafer. d) Foto, das den Selbstdelaminierungsprozess der ANDs zeigt. e,f) Fotografien der ultrakonformen Elektronik basierend auf ANDs, übertragen auf e) menschliche Haut und f) ein Blatt. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags)
„Bei neuen Anwendungen wie der Bioelektronik ermöglicht der konforme Kontakt mit der lokalen Oberfläche eine präzise Signalerfassung und Komfort“, erklärt der leitende Autor Dr. Jian Zhu, Materialwissenschaftler an der Nankai-Universität. „Unsere AND-Filme können es hautähnlicher Elektronik ermöglichen, sich genau an die komplexe topologische Textur der menschlichen Haut anzupassen.“
Die Vision einer nahtlosen Verschmelzung von Elektronik mit der menschlichen Physiologie treibt seit Jahrzehnten leidenschaftliche Forschung an. Auch genannt „epidermale ElektronikDas Konzept gelangte 2011 ins öffentliche Bewusstsein, als der biomedizinische Ingenieur John Rogers von der University of Illinois Geräte zur „epidermalen temporären Transfertätowierung“ vorstellte, die direkt auf der Haut kleben und Bewegungen und Herzfrequenz erfassen. Solche frühen Designs waren jedoch mit Einschränkungen wie möglicher Hautreizung bei Langzeitgebrauch verbunden.
Die entscheidende Herausforderung bestand darin, ausreichend dünne und dennoch haltbare Materialien zu entwickeln, die elektronische Komponenten tragen können und sich gleichzeitig unmerklich auf der Haut verformen. Elastomere sorgen für Dehnbarkeit, aber minimale Atmungsaktivität. Polymerfilme wie Parylen eignen sich hervorragend als Isolatoren, erweisen sich jedoch im Nanobereich als umständlich zu handhaben. Andere Optionen wie Polyimid erfordern eine komplexe chemische Verarbeitung unter Verwendung instabiler Opferschichten.
Die Nankai-Forscher verfolgten einen unkonventionellen Ansatz und stellten ihr Nanodielektrikum aus Aramidpolymer her, dem gleichen robusten Material, das auch in kugelsicheren Kevlar-Westen verwendet wird. Sie bezeichnen die Filme als UND.
„Unser Aramid-Nanodielektrikum ist als Dielektrikum für zukünftige hautähnliche Elektronik vielversprechend“, sagt Zhu.
Das Team schält Aramid in Nanofasern mit einer Breite von nur 10 Nanometern und schleudert sie zu Filmen mit maßgeschneiderter Dicke auf. Die bemerkenswert starke intermolekulare Bindung innerhalb der Polymerketten verbessert die Haftung und Hitzebeständigkeit und sorgt gleichzeitig für hauchdünne Schichten. ANDs können auch transparent und wasserdampfdurchlässig sein, was sie zu idealen Substraten für transdermale Biosensor-Pflaster macht.
„AND-Folien sind mechanisch stark und dennoch nachgiebig, glatt und transparent“, sagt Zhu. „Sie sind außerdem chemisch inert, thermisch stabil bis 300 °C und lassen sich ohne Ätzlösungsmittel selbständig von den zu verarbeitenden Substraten lösen.“
Um die Realisierbarkeit zu demonstrieren, bauten die Forscher mithilfe von AND-Filmen zwei sehr unterschiedliche Geräte. Eine davon sind schweißimmune Elektroden zur präzisen Überwachung elektrophysiologischer Signale wie Elektromyographie und Elektrokardiographie. Der andere ist flexibel Feldeffekttransistor-Mikroprozessoren dünn genug, um sich ohne Leistungsverlust um menschliche Haare zu wickeln.
Die auf der Haut angebrachten Silber-Nanodraht-Elektroden mit AND-Folien erfassten erfolgreich Muskel- und Herzaktivitäten, selbst wenn die Probanden stark schwitzten oder duschten. Herkömmliche Gelelektroden versagen unter solchen Bedingungen, da Schweiß die Leitfähigkeit beeinträchtigt. Die Forscher führen die überlegene Leistung UND die Atmungsaktivität auf die Vermeidung von Schweißbildung unter den Detektoren zurück. Quantitative Messungen zeigten, dass die 100-nm-AND-Filme eine Wasserdampfdurchlässigkeitsrate von über 90 % der Freiluftexposition aufwiesen.
Unterdessen zeigten die haarfeinen Feldeffekttransistoren, bei denen AND-Filme gleichzeitig als Gate-Dielektrikum und Substrat dienten, hervorragende elektronische Eigenschaften wie Niederspannungsbetrieb bis zu nur 4 V und Beweglichkeiten von 40 cm2/Vs und Ein/Aus-Verhältnisse über 100,000. Und sie überstanden extremes Biegen auf einen Umfang, der kleiner als ein menschliches Haar war, ohne erkennbare Schäden oder Leistungseinbußen.
„Die ultraflexiblen Transistoren können ordnungsgemäß funktionieren, wenn sie um menschliches Haar gewickelt werden, ohne dass die Leistung beeinträchtigt wird“, bemerkt Zhu.
Zhu behauptet, dass die meisten existierenden Hautelektronikgeräte auf nicht standardmäßigen Nanofabrikationstechniken basieren, die zu maßgeschneidert für die Herstellung in großem Maßstab sind und für die allgemeine medizinische Akzeptanz unerlässlich sind. Aber die Eignung von AND-Filmen für herkömmliche lithografische Arbeitsabläufe überwindet dieses Hindernis.
„Unser Ansatz im Wafer-Maßstab ermöglicht die Massenproduktion und die Integration mit modernen Elektronikfertigungsmethoden“, erklärt er.
Obwohl es noch einiges zu tun gibt, bis die Patienten von den Fortschritten profitieren, die die flexible Elektronik verspricht, schlägt Zhu einen gemäßigten Optimismus an.
„Wir gehen davon aus, dass Aramid-Nanodielektrika miniaturisierte medizinische Geräte und Bionik der nächsten Generation verändern werden“, sagt er. „Die Übertragung dieser Technologie aus dem Bereich der Science-Fiction in die klinische Realität könnte tiefgreifende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
Copyright ©
Nanowerk LLC
Werden Sie Spotlight-Gastautor! Schließen Sie sich unserer großen und wachsenden Gruppe von an Gastbeitragende. Haben Sie gerade eine wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht oder haben Sie andere aufregende Entwicklungen, die Sie der Nanotechnologie-Community mitteilen möchten? Hier erfahren Sie, wie Sie auf nanowerk.com veröffentlichen.
- SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
- PlatoData.Network Vertikale generative KI. Motiviere dich selbst. Hier zugreifen.
- PlatoAiStream. Web3-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
- PlatoESG. Kohlenstoff, CleanTech, Energie, Umwelt, Solar, Abfallwirtschaft. Hier zugreifen.
- PlatoHealth. Informationen zu Biotechnologie und klinischen Studien. Hier zugreifen.
- Quelle: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64467.php
- :hast
- :Ist
- $UP
- 000
- 10
- 100
- 11
- 20
- 2011
- 300
- 31
- 32
- 40
- 7
- 8
- a
- Erwerb
- Aktivität
- automatisch
- angemessen
- Einhaltung
- Adoption
- Fortschritte
- LUFT
- erlaubt
- ebenfalls
- an
- und
- jedem
- ersichtlich
- Anwendungen
- Ansatz
- glühend
- SIND
- um
- AS
- At
- Autor
- Bewusstsein
- b
- basierend
- BE
- war
- Bevor
- Nutzen
- Berger
- maßgeschneiderte
- biomedizinische
- leer
- Bücher
- Grenzen
- Durchbruch
- erbaut
- kugelsicher
- aber
- by
- CAN
- Center
- Ketten
- challenges
- chemisch
- Chemie
- chinesisch
- Klinische
- kombinieren
- optimalen Komfort
- community
- Komplex
- konform
- Komponenten
- konzept
- Bedingungen
- Leitfähigkeit
- Kontakt
- konventionellen
- könnte
- Kern
- schwerfällig
- Organschäden
- Datum
- Jahrzehnte
- Ablehnen
- zeigen
- Designs
- Trotz
- Detail
- Entwicklungen
- Geräte
- anders
- Direkt
- nach unten
- dr
- synchronisiert
- im
- e
- Früh
- Einfache
- bewirken
- elektronisch
- Elektronik
- aufstrebenden
- ermöglichen
- ermöglicht
- Ingenieur
- Verbessert
- genug
- essential
- Sogar
- Excel
- Ausgezeichnet
- unterhaltsame Programmpunkte
- vorhandenen
- Erklärt
- Belichtung
- Extrem
- Herstellung
- konfrontiert
- Gescheitert
- Fasern
- Fiktion
- Feld
- Filme
- Flexibilität
- flexibel
- Aussichten für
- vorhersehen
- für
- getankt
- Funktion
- verschmelzen
- Verschmelzung
- Zukunft
- Tor
- Generation
- gif
- Kundenziele
- groß
- Gruppe an
- persönlichem Wachstum
- GUEST
- Haarfarbe
- Griff
- Haben
- he
- Gesundheit
- Herz
- hierarchische
- GUTE
- hält
- Ultraschall
- Hilfe
- HTTPS
- human
- ideal
- Illinois
- Image
- Phantasie
- Impact der HXNUMXO Observatorien
- in
- Integration
- innig
- in
- kompliziert
- Peter
- join
- jpg
- nur
- Aufbewahrung
- grosse
- großflächig
- Lagen
- Gefällt mir
- Einschränkungen
- aus einer regionalen
- Logo
- Lang
- langfristig
- Verlust
- Maschine
- Mainstream
- Making
- Mann
- Herstellung
- Masse
- Ihres Materials
- Materialien
- Mittlerweile
- Messungen
- sowie medizinische
- Medizinprodukte
- Methoden
- Michael
- Mitte
- minimal
- modern
- Überwachung
- mehr
- vor allem warme
- Bewegung
- Muskel
- Name
- Nanotechnologie
- Neu
- weiter
- Notizen
- jetzt an
- Hindernis
- of
- on
- EINEM
- XNUMXh geöffnet
- Betrieb
- Optimismus
- Optionen
- or
- Andere
- UNSERE
- Papier
- Patches
- Patienten
- Leistung
- Erlaubnis
- Fotografien
- PHP
- Plato
- Datenintelligenz von Plato
- PlatoData
- Polymer
- Beliebt
- Potenzial
- Präzision
- Verhütung
- Prozessdefinierung
- Verarbeitung
- Produktion
- zutiefst
- Fortschritt
- Versprechen
- versprochen
- Promises
- aussichtsreich
- richtig
- immobilien
- Prothetik
- Belegen
- die
- veröffentlichen
- veröffentlicht
- Herausgeber
- Publishing
- Schieben
- quantitativ
- Bewerten
- realen Welt
- Realität
- Reich
- aufgezeichnet
- verlassen
- bleibt bestehen
- berichten
- erfordern
- Forschungsprojekte
- Forscher
- Robustes Design
- Rogers
- königlich
- Verderben
- gleich
- sagt
- Wissenschaft
- Science-Fiction
- wissenschaftlich
- Wissenschaftler
- Wissenschaftler
- nahtlos
- nahtlos
- Senior
- Sensoren
- Dienst
- Teilen
- zeigte
- zeigt
- Signal
- Signale
- Silizium
- Silbermedaille
- gleichzeitig
- Fähigkeiten
- Haut
- kleinere
- glätten
- Gesellschaft
- Spezialisten
- Wirbelsäule ... zu unterstützen.
- Scheinwerfer
- stabil
- Kleben
- Stärke
- Strikes
- stark
- Struktur
- Erfolgreich
- so
- Oberteil
- Support
- Oberfläche
- SWEAT
- System
- zugeschnitten
- verlockend
- Team
- Techniken
- Technologie
- vorübergehend
- Begriff
- Test
- als
- zur Verbesserung der Gesundheitsgerechtigkeit
- Das
- Die Zukunft
- ihr
- Sie
- Thermal-
- vom Nutzer definierten
- fehlen uns die Worte.
- obwohl?
- Tausende
- nach drei
- mal
- zu
- TONE
- auch
- Werkzeuge
- gegenüber
- transdermal
- privaten Transfer
- übertragen
- Transformieren
- transparent
- XNUMX
- unkonventionell
- für
- einzigartig
- Universität
- öffnen
- beispiellos
- enthüllt
- Updates
- URL
- -
- benutzt
- Verwendung von
- sehr
- Durchführbarkeit
- Seh-
- Visionär
- Wasser
- wann
- welche
- während
- breit
- mit
- .
- ohne
- Arbeiten
- Workflows
- würde
- wickeln
- Eingehüllt
- noch
- U
- Ihr
- Zephyrnet