20 de janeiro de 2024
(Destaque do Nanowerk) Dispositivos eletrônicos intrinsecamente montados na pele humana há muito cativam a imaginação científica, atormentando especialistas ao prometerem uma fusão perfeita entre homem e máquina. Esses circuitos que abraçam a pele poderiam desbloquear sensores médicos de acuidade sem precedentes ou membros biônicos conectados ao sistema nervoso. Mas, apesar de décadas de investigação diligente, materiais inadequados obstruíram o progresso em direcção a este objectivo visionário.
Agora, uma equipe de cientistas de materiais chineses relata um avanço na fabricação de filmes finos, ideais para a montagem de eletrônicos flexíveis. Publicando em Materiais avançados (“Nanodielétricos de aramida para películas eletrônicas transparentes ultraconformadas”), pesquisadores da Universidade de Nankai detalham suas camadas de polímero “nanodielétrico de aramida” personalizadas – apelidadas de ANDs – que combinam exclusivamente espessura em nanoescala e flexibilidade semelhante a uma asa com resiliência resistente a tensões térmicas e químicas que arruinariam filmes mais frágeis.
Com apenas 100 nanômetros de espessura – milhares de vezes mais finos que um fio de cabelo humano – os filmes AND combinam alta resistência com fácil aderência à pele. Eles também são transparentes, respiráveis e podem suportar temperaturas superiores a 300 °C.
Demonstração de eletrônica ultraconformável baseada em ANDs. a) A estrutura hierárquica das fibras de aramida. b) Ilustrações esquemáticas do processo de fabricação e autodelaminação dos dispositivos. c) Fotografia dos dispositivos em ANDs fabricados em um wafer de silício de 3 polegadas. d) Fotografia mostrando o processo de autodelaminação dos ANDs. e,f) Fotografias da eletrônica ultraconforme baseada em ANDs transferidas para e) pele humana ef) uma folha. (Reproduzido com permissão por Wiley-VCH Verlag)
“Para aplicações emergentes como bioeletrônica, o contato conforme com a superfície local permite aquisição precisa de sinal e conforto”, explica o autor sênior Dr. Jian Zhu, cientista de materiais da Universidade Nankai. “Nossos filmes AND podem permitir que componentes eletrônicos semelhantes à pele se adaptem intimamente à intrincada textura topológica da pele humana.”
A visão da eletrônica fundindo-se perfeitamente com a fisiologia humana alimentou pesquisas ardentes durante décadas. Também apelidado de ‘eletrônica epidérmica', o conceito explodiu na consciência popular em 2011, quando o engenheiro biomédico John Rogers, da Universidade de Illinois, revelou dispositivos de “tatuagem de transferência temporária epidérmica” que aderem diretamente à pele, detectando movimento e frequência cardíaca. Mas esses projetos iniciais enfrentaram limitações como potencial irritação da pele durante o uso a longo prazo.
O desafio crucial tem sido desenvolver materiais adequadamente finos, mas duráveis, que possam suportar componentes eletrônicos enquanto flexionam imperceptivelmente na pele. Os elastômeros fornecem elasticidade, mas respirabilidade mínima. Filmes de polímero como o parileno são excelentes como isolantes, mas são difíceis de manusear em nanoescala. Outras opções, como a poliimida, requerem processamento químico complexo usando camadas sacrificiais instáveis.
Os pesquisadores de Nankai seguiram uma abordagem não convencional, derivando seu nanodielétrico do polímero de aramida, o mesmo material resistente usado nos coletes à prova de balas de Kevlar. Eles chamam os filmes de ANDs.
“Nosso nanodielétrico de aramida é uma grande promessa como dielétrico para futuros eletrônicos semelhantes à pele”, diz Zhu.
A equipe esfolia a aramida em nanofibras de apenas 10 nanômetros de largura, revestindo-as por rotação em filmes de espessura personalizada. A ligação intermolecular notavelmente forte dentro das cadeias poliméricas aumenta a adesão e a resistência ao calor, ao mesmo tempo que mantém as camadas finas como wafer. Os ANDs também podem ser transparentes e permeáveis ao vapor de água, tornando-os substratos ideais para adesivos biosensores transdérmicos.
“Os filmes AND são mecanicamente fortes, mas compatíveis, suaves e transparentes”, diz Zhu. “Eles também são quimicamente inertes, termicamente estáveis até 300°C e autodestacáveis do processamento de substratos sem solventes de ataque químico.”
Para demonstrar a viabilidade no mundo real, os pesquisadores construíram dois dispositivos muito diferentes usando filmes AND. Um deles são eletrodos imunes ao suor para monitoramento preciso de sinais eletrofisiológicos, como eletromiografia e eletrocardiografia. O outro é flexível microprocessadores transistorizados de efeito de campo fino o suficiente para envolver cabelos humanos sem perda de desempenho.
Os eletrodos de nanofios de prata montados na pele com filmes AND registraram com sucesso a atividade muscular e cardíaca, mesmo quando os participantes do teste suaram profusamente ou tomaram banho. Os eletrodos de gel convencionais falharam em condições como o suor degrada a condutividade. Os pesquisadores atribuem desempenho superior à E respirabilidade, evitando o acúmulo de suor sob os detectores. Medições quantitativas mostraram que os filmes AND de 100 nm tinham uma taxa de transmissão de vapor de água superior a 90% da exposição ao ar livre.
Enquanto isso, os transistores de efeito de campo envolventes, com filmes AND servindo simultaneamente como dielétrico de porta e substrato, mostraram excelentes propriedades eletrônicas, como operação em baixa tensão até apenas 4V, mobilidades de 40 cm2/Vs e relações liga/desliga superiores a 100,000. E eles suportaram curvaturas extremas em circunferências menores que um fio de cabelo humano, sem danos aparentes ou declínio de desempenho.
“Os transistores ultraflexíveis podem funcionar adequadamente quando enrolados em cabelos humanos sem qualquer degradação no desempenho”, observa Zhu.
Zhu afirma que a maioria dos produtos eletrônicos existentes para a pele depende de técnicas de nanofabricação não padronizadas, muito personalizadas para a fabricação em larga escala, essenciais para a adoção médica convencional. Mas a adaptabilidade dos filmes AND aos fluxos de trabalho litográficos convencionais supera esse obstáculo.
“Nossa abordagem em escala de wafer permite a produção em massa e a integração com métodos modernos de fabricação de eletrônicos”, explica ele.
Embora ainda falte mais trabalho antes que os pacientes se beneficiem dos avanços prometidos pela eletrônica flexível, Zhu adota um tom de otimismo moderado.
“Prevemos que os nanodielétricos de aramida transformarão a próxima geração de dispositivos médicos miniaturizados e biônicos”, diz ele. “Trazer esta tecnologia do reino da ficção científica para a realidade clínica poderia impactar profundamente a saúde humana.
– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedade: ultrapassando os limites da tecnologia,
Nanotecnologia: o futuro é minúsculo e
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível
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