20 gennaio 2024
(Faretto Nanowerk) I dispositivi elettronici montati in modo complesso sulla pelle umana affascinano da tempo l'immaginazione scientifica, stuzzicando gli specialisti promettendo una fusione perfetta tra uomo e macchina. Tali circuiti che abbracciano la pelle potrebbero sbloccare sensori medici di acutezza senza precedenti o arti bionici collegati al sistema nervoso. Ma nonostante decenni di diligente ricerca, i materiali inadeguati hanno ostacolato il progresso verso questo obiettivo visionario.
Ora un team di scienziati cinesi dei materiali segnala una svolta nella fabbricazione di pellicole sottilissime ideali per il montaggio di componenti elettronici flessibili. Pubblicazione in Materiale avanzato (“Nanodielettrici aramidici per skin elettroniche trasparenti ultraconformi”), i ricercatori dell'Università di Nankai descrivono in dettaglio i loro strati polimerici "nanodielettrici aramidici" su misura - soprannominati AND - che combinano in modo unico lo spessore su scala nanometrica e la flessibilità simile ad un'ala con una robusta resilienza agli stress termici e chimici che rovinerebbero pellicole più fragili.
Con uno spessore di soli 100 nanometri – migliaia di volte più sottile di un capello umano – le pellicole AND combinano un'elevata resistenza con una facile aderenza alla pelle. Sono inoltre trasparenti, traspiranti e resistono a temperature superiori a 300 °C.
Dimostrazione di elettronica ultraconformabile basata su AND. a) La struttura gerarchica delle fibre aramidiche. b) Illustrazioni schematiche del processo di fabbricazione e autodelaminazione dei dispositivi. c) Fotografia dei dispositivi su AND fabbricati su un wafer di silicio da 3 pollici. d) Fotografia che mostra il processo di autodelaminazione degli AND. e,f) Fotografie dell'elettronica ultraconforme basata su AND trasferite su e) pelle umana e f) una foglia. (Ristampato con il permesso di Wiley-VCH Verlag)
“Per le applicazioni emergenti come la bioelettronica, il contatto conforme con la superficie locale consente l’acquisizione precisa del segnale e il comfort”, spiega l’autore senior Dr. Jian Zhu, scienziato dei materiali presso l’Università di Nankai. “Le nostre pellicole AND possono consentire all’elettronica simile alla pelle di adattarsi intimamente all’intricata trama topologica della pelle umana”.
La visione di un’elettronica che si fonde perfettamente con la fisiologia umana ha alimentato per decenni un’ardente ricerca. Soprannominato anche "elettronica epidermica’, il concetto è diventato noto al pubblico nel 2011, quando l’ingegnere biomedico John Rogers dell’Università dell’Illinois ha svelato dispositivi per il “tatuaggio epidermico temporaneo a trasferimento” che si attaccano direttamente alla pelle, rilevando il movimento e la frequenza cardiaca. Ma questi primi progetti dovevano affrontare limitazioni come la potenziale irritazione della pelle durante l’uso a lungo termine.
La sfida cruciale è stata ideare materiali sufficientemente sottili ma durevoli in grado di supportare componenti elettronici flettendosi impercettibilmente sulla pelle. Gli elastomeri forniscono elasticità ma traspirabilità minima. I film polimerici come il parilene eccellono come isolanti ma si rivelano difficili da maneggiare su scala nanometrica. Altre opzioni come la poliimmide richiedono un trattamento chimico complesso utilizzando strati sacrificali instabili.
I ricercatori di Nankai hanno perseguito un approccio non convenzionale, ricavando il loro nanodielettrico dal polimero aramidico, lo stesso materiale resistente utilizzato nei giubbotti antiproiettile Kevlar. Chiamano i film AND.
“Il nostro nanodielettrico aramidico è molto promettente come dielettrico per la futura elettronica simile alla pelle”, afferma Zhu.
Il team esfolia l'aramide in nanofibre larghe appena 10 nanometri, rivestendole in pellicole di spessore adeguato. Il legame intermolecolare straordinariamente forte all'interno delle catene polimeriche migliora l'adesione e la resistenza al calore mantenendo gli strati sottilissimi. Gli AND possono anche essere trasparenti e permeabili al vapore acqueo, rendendoli substrati ideali per i cerotti biosensibili transdermici.
"Le pellicole AND sono meccanicamente resistenti, ma allo stesso tempo conformi, lisce e trasparenti", afferma Zhu. “Sono anche chimicamente inerti, termicamente stabili fino a 300 –C e auto-staccabili dai substrati di lavorazione senza l’uso di solventi aggressivi”.
Per dimostrare la fattibilità nel mondo reale, i ricercatori hanno costruito due dispositivi molto diversi utilizzando pellicole AND. Uno è costituito da elettrodi immuni al sudore per il monitoraggio di precisione di segnali elettrofisiologici come l'elettromiografia e l'elettrocardiografia. L'altro è flessibile microprocessori a transistor ad effetto di campo abbastanza sottile da avvolgere i capelli umani senza perdita di prestazioni.
Gli elettrodi in nanofili d'argento montati sulla pelle con pellicole AND hanno registrato con successo l'attività muscolare e cardiaca anche quando i soggetti del test sudavano copiosamente o facevano la doccia. Gli elettrodi gel convenzionali non funzionavano in condizioni in cui il sudore degrada la conduttività. I ricercatori attribuiscono prestazioni superiori alla traspirabilità AND che previene l'accumulo di sudore sotto i rilevatori. Le misurazioni quantitative hanno dimostrato che le pellicole AND da 100 nm hanno una velocità di trasmissione del vapore acqueo superiore al 90% dell'esposizione all'aria aperta.
Nel frattempo, i transistor ad effetto di campo avvolgenti, con film AND che fungono contemporaneamente da dielettrico di gate e substrato, hanno mostrato eccellenti proprietà elettroniche come il funzionamento a bassa tensione fino a soli 4 V, mobilità di 40 cm2/Vs e rapporti on/off superiori a 100,000. E hanno sopportato piegature estreme fino a raggiungere circonferenze inferiori a un capello umano senza danni apparenti o calo delle prestazioni.
"I transistor ultraflessibili possono funzionare correttamente se avvolti attorno ai capelli umani senza alcun degrado delle prestazioni", osserva Zhu.
Zhu afferma che la maggior parte dei dispositivi elettronici cutanei esistenti si basa su tecniche di nanofabbricazione non standard, troppo personalizzate per la produzione su larga scala, essenziali per l’adozione medica tradizionale. Ma la disponibilità delle pellicole AND ai flussi di lavoro litografici convenzionali supera questo ostacolo.
“Il nostro approccio su scala wafer consente la produzione di massa e l’integrazione con i moderni metodi di fabbricazione elettronica”, spiega.
Anche se resta ancora molto lavoro da fare prima che i pazienti possano beneficiare dei progressi promessi dall’elettronica flessibile, Zhu ha un tono di moderato ottimismo.
“Prevediamo che i nanodielettrici aramidici trasformeranno i dispositivi medici miniaturizzati e la bionica di prossima generazione”, afferma. “Portare questa tecnologia dal regno della fantascienza alla realtà clinica potrebbe avere un profondo impatto sulla salute umana.
- Michael è autore di tre libri della Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: spingendo i confini della tecnologia,
Nanotecnologia: il futuro è minuscoloe
Nanoingegneria: abilità e strumenti che rendono invisibile la tecnologia
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