20 年 2024 月 XNUMX 日
(Nanowerkスポットライト) 人間の皮膚に複雑に取り付けられた電子デバイスは、長い間科学的想像力を魅了し、人間と機械のシームレスな融合を約束することで専門家を魅了してきました。このような皮膚に密着する回路は、前例のない鋭さの医療センサーや、神経系に配線されたバイオニック手足のロックを解除する可能性があります。しかし、数十年にわたる熱心な研究にも関わらず、不十分な資料がこの先見的な目標に向けた進歩を妨げてきました。
今回、中国の材料科学者のチームが、フレキシブルエレクトロニクスの実装に最適な組織薄膜の製造における画期的な成果を報告した。での出版 先端材料 (「超共形透明電子スキン用アラミドナノ誘電体」)、南海大学の研究者らは、ナノスケールの厚さと翼のような柔軟性を、より脆弱なフィルムをダメにする熱的および化学的ストレスに対する強い弾性を独自に組み合わせた、特注の「アラミドナノ誘電体」ポリマー層(ANDと呼ばれる)について詳しく説明しています。
厚さわずか 100 ナノメートル (人間の髪の毛の数千分の 300) の AND フィルムは、高い強度と皮膚への容易な密着性を兼ね備えています。また、透明で通気性があり、XNUMX °C を超える温度にも耐えることができます。
AND に基づく超適合エレクトロニクスのデモンストレーション。 a) アラミド繊維の階層構造。 b) デバイスの製造および自己剥離プロセスの概略図。 c) 3 インチのシリコン ウェーハ上に製造された AND 上のデバイスの写真。 d) AND の自己剥離プロセスを示す写真。 e、f) e) 人間の皮膚および f) 葉に転写された AND に基づく超共形エレクトロニクスの写真。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載)
「バイオエレクトロニクスのような新興アプリケーションでは、局所表面との共形接触により、正確な信号取得と快適さが可能になります」と、南開大学の材料科学者で主著者の Jian Zhu 博士は説明します。 「当社の AND フィルムを使用すると、皮膚のようなエレクトロニクスが人間の皮膚の複雑なトポロジカルな質感に密接に適応できるようになります。」
人間の生理学とシームレスに融合するエレクトロニクスのビジョンは、数十年にわたって熱心な研究を推進してきました。 「」とも呼ばれます表皮エレクトロニクスこのコンセプトは、2011 年にイリノイ大学の生物医学工学者ジョン・ロジャースが、皮膚に直接貼り付けて動きと心拍数を感知する「表皮一時転写タトゥー」デバイスを発表したときに、一般の人々の認識に一気に広がりました。しかし、そのような初期のデザインは、長期使用中の潜在的な皮膚刺激などの制限に直面していました。
最も重要な課題は、皮膚上で気づかないうちに曲がりながら電子コンポーネントをサポートできる、十分に薄く耐久性のある材料を考案することでした。エラストマーは伸縮性を備えていますが、通気性は最小限です。パリレンのようなポリマーフィルムは絶縁体として優れていますが、ナノスケールでの取り扱いが難しいことが判明しています。ポリイミドなどの他のオプションでは、不安定な犠牲層を使用する複雑な化学処理が必要です。
南海の研究者らは、ケブラー防弾チョッキに使用されているのと同じ丈夫な素材であるアラミドポリマーからナノ誘電体を得るという、型破りなアプローチを追求しました。彼らは映画を AND と呼びます。
「当社のアラミドナノ誘電体は、将来の皮膚のようなエレクトロニクスの誘電体として大きな可能性を秘めています」と Zhu 氏は言います。
研究チームはアラミドを幅わずか 10 ナノメートルのナノファイバーに剥離し、それらをスピン コーティングして適切な厚さのフィルムに仕上げます。ポリマー鎖内の非常に強力な分子間結合により、層を非常に薄く保ちながら、接着性と耐熱性が向上します。 AND は透明で水蒸気を透過させることもできるため、経皮バイオセンシング パッチの基材として理想的です。
「AND フィルムは機械的に強力でありながら、柔軟性があり、滑らかで透明です」と Zhu 氏は言います。 「また、化学的に不活性で、300 ℃までの熱安定性があり、エッチング溶剤を使用せずに処理基板から自己剥離可能です。」
現実世界での実行可能性を実証するために、研究者らは AND フィルムを使用して XNUMX つのまったく異なるデバイスを構築しました。 XNUMX つは、筋電図や心電図などの電気生理学的信号を正確にモニタリングするための汗免疫電極です。もう一つは柔軟です 電界効果トランジスタマイクロプロセッサ 性能を損なうことなく人間の髪の毛を包み込むのに十分な薄さです。
AND フィルムを備えた皮膚に取り付けられた銀ナノワイヤ電極は、被験者が大量に汗をかいたときやシャワーを浴びたときでも、筋肉と心臓の活動を記録することに成功しました。従来のゲル電極は、汗による導電性の低下などの条件下では故障していました。研究者らは、優れたパフォーマンスと、検出器の下に汗が溜まるのを防ぐ通気性のおかげだと考えています。定量的測定により、100 nm AND フィルムの水蒸気透過率は屋外暴露の 90% を超えることが示されました。
一方、ゲート誘電体と基板として同時に機能するAND膜を備えた巨大な電界効果トランジスタは、わずか4Vまでの低電圧動作、40cmの移動度などの優れた電子特性を示しました。2/Vs、on/off比は100,000を超えます。また、髪の毛よりも小さい円周までの極端な曲げにも、明らかな損傷や性能の低下は見られませんでした。
「超柔軟なトランジスタは、人間の髪の毛に巻き付けても、性能を低下させることなく適切に機能します」と Zhu 氏は述べています。
Zhu氏は、既存の皮膚エレクトロニクスのほとんどは、主流の医療採用に不可欠な大規模製造には特注すぎる非標準的なナノ製造技術に依存していると主張する。しかし、AND フィルムは従来のリソグラフィ ワークフローに適しているため、この障害は克服されます。
「当社のウェーハスケールアプローチにより、大量生産と最新のエレクトロニクス製造方法との統合が可能になります」と彼は説明します。
患者がフレキシブルエレクトロニクスによって約束される進歩の恩恵を受けるまでには、さらなる努力が必要だが、Zhu 氏は抑えられた楽観的な口調を浮かべる。
「アラミドナノ誘電体が次世代の小型医療機器やバイオニクスを変革すると予測しています」と彼は言います。 「このテクノロジーをSFの世界から臨床現実に持ち込むことは、人間の健康に大きな影響を与える可能性があります。
– マイケルは王立化学会による XNUMX 冊の本の著者です。
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