20. januar 2024
(Nanowerk Spotlight) Elektroniske enheter intrikat montert på menneskelig hud har lenge fengslet vitenskapelig fantasi, og fristet spesialister ved å love en sømløs sammensmelting av menneske og maskin. Slike hudomsluttende kretser kan låse opp medisinske sensorer med enestående skarphet eller bioniske lemmer koblet til nervesystemet. Men til tross for tiår med iherdig forskning, har utilstrekkelig materiale hindret fremskritt mot dette visjonære målet. Nå rapporterer et team av kinesiske materialforskere om et gjennombrudd innen fremstilling av tynne vevsfilmer som er ideelle for montering av fleksibel elektronikk. Publiserer i Advanced Materials ("Aramid Nanodielectrics for Ultraconformal Transparent Electronic Skins"), beskriver forskere fra Nankai University sine skreddersydde "aramid nanodielektriske" polymerlag – kalt ANDs – som på en unik måte kombinerer nanoskalatykkelse og vingelignende fleksibilitet med hardfør motstand mot termiske og kjemiske påkjenninger som ville ødelegge mer skjøre filmer. Med en tykkelse på bare 100 nanometer – tusenvis av ganger tynnere enn et menneskehår – kombinerer AND-filmene høy styrke med lett å feste seg til huden. De er også gjennomsiktige, pustende og tåler temperaturer over 300 °C.
Demonstrasjon av ultrakonform elektronikk basert på AND-er. a) Den hierarkiske strukturen til aramidfibre. b) Skjematiske illustrasjoner av fabrikasjons- og selvdelamineringsprosessen til enhetene. c) Fotografi av enhetene på AND-er produsert på en 3-tommers silisiumplate. d) Fotografi som viser selvdelamineringsprosessen til AND-ene. e,f) Fotografier av den ultrakonforme elektronikken basert på AND-er overført til e) menneskehud og f) et blad. (Oppgitt med tillatelse av Wiley-VCH Verlag) "For nye applikasjoner som bioelektronikk, tillater konform kontakt med den lokale overflaten presisjonssignalinnsamling og komfort," forklarer seniorforfatter Dr. Jian Zhu, materialforsker ved Nankai University. "OG-filmene våre kan gjøre det mulig for hudlignende elektronikk å tilpasse seg intimt til den intrikate topologiske teksturen til menneskelig hud." Visjonen om elektronikk som sømløst smelter sammen med menneskelig fysiologi har drevet ivrig forskning i flere tiår. Også kalt 'epidermal elektronikk', brøt konseptet opp i folkelig bevissthet i 2011 da biomedisinsk ingeniør John Rogers ved University of Illinois avduket "epidermal temporary transfer tattoo"-enheter som fester seg direkte på huden, føler bevegelse og hjertefrekvens. Men slike tidlige design møtte begrensninger som potensiell hudirritasjon under langvarig bruk. Hovedutfordringen har vært å utforme tilstrekkelig tynne, men holdbare materialer som kan støtte elektroniske komponenter mens de bøyer seg umerkelig på huden. Elastomerer gir strekkbarhet, men minimal pusteevne. Polymerfilmer som parylene utmerker seg som isolatorer, men viser seg å være tungvint å håndtere i nanoskala. Andre alternativer som polyimid krever kompleks kjemisk prosessering ved bruk av ustabile offerlag. Nankai-forskerne fulgte en ukonvensjonell tilnærming, og hentet nanodielektrikumet sitt fra aramidpolymer, det samme hardføre materialet som brukes i Kevlar skuddsikre vester. De kaller filmene OG. "Vårt aramid nanodielektrikum lover mye som dielektrikum for fremtidig hudlignende elektronikk", sier Zhu. Teamet eksfolierer aramid til nanofibre som er bare 10 nanometer brede, og spinner dem til filmer med skreddersydd tykkelse. Den bemerkelsesverdig sterke intermolekylære bindingen i polymerkjedene forbedrer vedheft og varmebestandighet samtidig som lagene holder seg tynne. AND-er kan også være gjennomsiktige og gjennomtrengelige for vanndamp, noe som gjør dem til ideelle substrater for transdermale biosensing-lapper. "AND-filmer er mekanisk sterke, men likevel kompatible, glatte og gjennomsiktige," sier Zhu. "De er også kjemisk inerte, termisk stabile opp til 300 -C, og selvløsbare fra bearbeidingssubstrater uten etsende løsemidler." For å demonstrere levedyktighet i den virkelige verden bygde forskerne to svært forskjellige enheter ved å bruke OG-filmer. Den ene er svetteimmune elektroder for presisjonsovervåking av elektrofysiologiske signaler som elektromyografi og elektrokardiografi. Den andre er fleksibel felteffekt transistor mikroprosessorer tynn nok til å vikle rundt menneskehår uten ytelsestap. De hudmonterte sølv nanotrådelektrodene med OG-filmer registrerte med suksess muskel- og hjerteaktivitet selv når testpersoner svettet kraftig eller dusjet. Konvensjonelle gelelektroder sviktet under slike forhold som svette forringer ledningsevnen. Forskerne tilskriver overlegen ytelse til OG pusteevne som forhindrer svetteoppbygging under detektorer. Kvantitative målinger viste at 100 nm AND-filmene hadde en vanndampoverføringshastighet som oversteg 90 % av friluftseksponering. I mellomtiden viste de hårnære felteffekttransistorene, med OG-filmer som fungerte samtidig som portdielektrikum og substrat, utmerkede elektroniske egenskaper som lavspentdrift ned til bare 4V, mobiliteter på 40 cm2/Vs, og på/av-forhold som overstiger 100,000 XNUMX. Og de tålte ekstreme bøyninger til omkrets som var mindre enn et menneskehår uten tilsynelatende skade eller redusert ytelse. "De ultrafleksible transistorene kan fungere ordentlig når de er pakket rundt menneskehår uten noen forringelse av ytelsen," bemerker Zhu. Zhu hevder at de fleste eksisterende hudelektronikk er avhengige av ustandardiserte nanofabrikasjonsteknikker som er skreddersydde for storskala produksjon, noe som er avgjørende for vanlig medisinsk bruk. Men AND-filmers egnethet til konvensjonelle litografiske arbeidsflyter overvinner denne hindringen. "Vår wafer-skala-tilnærming muliggjør masseproduksjon og integrasjon med moderne elektronikkfremstillingsmetoder," forklarer han. Selv om det gjenstår mer arbeid før pasientene drar nytte av fremskritt lovet av fleksibel elektronikk, slår Zhu en tone av temperert optimisme. "Vi ser for oss aramid nanodielektrikum som transformerer neste generasjons miniatyrisert medisinsk utstyr og bionikk," sier han. "Å bringe denne teknologien fra science fiction-området til klinisk virkelighet kan ha en dyp innvirkning på menneskers helse.
– Michael er forfatter av tre bøker av Royal Society of Chemistry:
Nano-samfunnet: Skyver teknologiens grenser,
Nanoteknologi: Fremtiden er litenog
Nanoengineering: Ferdighetene og verktøyene som gjør teknologien usynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bli en Spotlight-gjesteforfatter! Bli med i vår store og voksende gruppe gjestebidragere. Har du nettopp publisert en vitenskapelig artikkel eller har andre spennende utvikling å dele med nanoteknologisamfunnet? Slik publiserer du på nanowerk.com.
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64467.php
- : har
- :er
- $OPP
- 000
- 10
- 100
- 11
- 20
- 2011
- 300
- 31
- 32
- 40
- 7
- 8
- a
- oppkjøp
- aktivitet
- tilpasse
- tilstrekkelig
- binding
- Adopsjon
- fremskritt
- AIR
- tillater
- også
- an
- og
- noen
- tilsynelatende
- søknader
- tilnærming
- flammende
- ER
- rundt
- AS
- At
- forfatter
- bevissthet
- b
- basert
- BE
- vært
- før du
- nytte
- Berger
- skreddersydd
- biomedisinsk
- blank
- bøker
- grenser
- gjennombrudd
- bygget
- skuddsikre
- men
- by
- CAN
- sentrum
- kjeder
- utfordre
- kjemisk
- kjemi
- Kinesisk
- Klinisk
- kombinere
- komfort
- samfunnet
- komplekse
- kompatibel
- komponenter
- konsept
- forhold
- ledningsevne
- kontakt
- konvensjonell
- kunne
- crux
- tungvint
- skade
- Dato
- tiår
- Avslå
- demonstrere
- design
- Til tross for
- detalj
- utviklingen
- Enheter
- forskjellig
- direkte
- ned
- dr
- dubbet
- under
- e
- Tidlig
- lett
- effekt
- elektronisk
- Elektronikk
- Emery
- muliggjøre
- muliggjør
- ingeniør
- Forbedrer
- nok
- avgjørende
- Selv
- Excel
- utmerket
- spennende
- eksisterende
- forklarer
- Eksponering
- ekstrem
- fabrikasjon
- møtt
- Mislyktes
- fibrene
- Fiction
- felt
- filmer
- fleksibilitet
- fleksibel
- Til
- forutse
- fra
- drevet
- funksjon
- smelting
- fusjon
- framtid
- gate
- generasjonen
- gif
- mål
- flott
- Gruppe
- Økende
- Gjest
- Hår
- håndtere
- Ha
- he
- Helse
- Hjerte
- hierarkisk
- Høy
- holder
- Hvordan
- Hvordan
- HTTPS
- menneskelig
- ideell
- Illinois
- bilde
- fantasi
- Påvirkning
- in
- integrering
- intimt
- inn
- innviklet
- John
- bli medlem
- jpg
- bare
- holde
- stor
- storskala
- lag
- i likhet med
- begrensninger
- lokal
- logo
- Lang
- langsiktig
- tap
- maskin
- Mainstream
- Making
- mann
- produksjon
- Mass
- materiale
- materialer
- Mellomtiden
- målinger
- medisinsk
- medisinsk utstyr
- metoder
- Michael
- Middle
- minimal
- Moderne
- overvåking
- mer
- mest
- bevegelse
- muskel
- navn
- nanoteknologi
- Ny
- neste
- Merknader
- nå
- hindring
- of
- on
- ONE
- åpen
- drift
- optimisme
- alternativer
- or
- Annen
- vår
- Papir
- Patches
- pasienter
- ytelse
- tillatelse
- fotografier
- PHP
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatonData
- polymer
- Populær
- potensiell
- Precision
- hindre
- prosess
- prosessering
- Produksjon
- dypt
- Progress
- løfte
- lovet
- lover
- lovende
- riktig
- egenskaper
- protetikk
- Bevis
- gi
- publisere
- publisert
- utgiver
- Publisering
- Skyver
- kvantitativ
- Sats
- virkelige verden
- Reality
- riket
- registrert
- avhengige
- forblir
- rapporterer
- krever
- forskning
- forskere
- Motstand
- Rogers
- kongelig
- ødelegge
- samme
- sier
- Vitenskap
- Science Fiction
- vitenskapelig
- Forsker
- forskere
- sømløs
- sømløst
- senior
- sensorer
- servering
- Del
- viste
- viser
- Signal
- signaler
- Silicon
- Sølv
- samtidig
- ferdigheter
- Skin
- mindre
- glatter
- Samfunnet
- spesialister
- Snurre rundt
- Spotlight
- stabil
- Stick
- styrke
- streik
- sterk
- struktur
- vellykket
- slik
- overlegen
- støtte
- overflaten
- SVETTE
- system
- skreddersydd
- fristende
- lag
- teknikker
- Teknologi
- midlertidig
- begrep
- test
- enn
- Det
- De
- Fremtiden
- deres
- Dem
- termisk
- de
- denne
- selv om?
- tusener
- tre
- ganger
- til
- TONE
- også
- verktøy
- mot
- transdermal
- overføre
- overføres
- transformere
- gjennomsiktig
- to
- ukonvensjonell
- etter
- unikt
- universitet
- låse opp
- enestående
- avduket
- oppdateringer
- URL
- bruke
- brukt
- ved hjelp av
- veldig
- levedyktighet
- syn
- visjonær
- Vann
- når
- hvilken
- mens
- bred
- med
- innenfor
- uten
- Arbeid
- arbeidsflyt
- ville
- vikle
- Innpakket
- ennå
- du
- Din
- zephyrnet