20 января 2024 г.
(Nanowerk В центре внимания) Электронные устройства, замысловато прикрепленные к человеческой коже, уже давно пленяют научное воображение, дразня специалистов, обещая плавное слияние человека и машины. Такая обнимающая кожу схема могла бы разблокировать медицинские датчики беспрецедентной остроты или бионические конечности, подключенные к нервной системе. Но, несмотря на десятилетия кропотливых исследований, неадекватные материалы препятствовали прогрессу на пути к этой дальновидной цели.
Теперь группа китайских ученых-материаловедов сообщает о прорыве в производстве тонких пленок, идеально подходящих для монтажа гибкой электроники. Публикация в Передовые материалы («Арамидные нанодиэлектрики для ультраконформных прозрачных электронных скинов»), исследователи из Нанкайского университета подробно описывают свои специальные слои «арамидных нанодиэлектрических» полимеров, получившие название AND, которые уникальным образом сочетают в себе наноразмерную толщину и гибкость, подобную крылу, с высокой устойчивостью к термическим и химическим воздействиям, которые могут разрушить более хрупкие пленки.
При толщине всего 100 нанометров – в тысячи раз тоньше человеческого волоса – пленки AND сочетают в себе высокую прочность и легкое прилегание к коже. Они также прозрачны, воздухопроницаемы и выдерживают температуру, превышающую 300 °C.
Демонстрация ультраконформной электроники на основе И. а) Иерархическая структура арамидных волокон. б) Схематические изображения процесса изготовления и саморасслоения устройств. в) Фотография устройств на И, изготовленных на 3-дюймовой кремниевой пластине. г) Фотография, показывающая процесс саморасслоения AND. д, е) Фотографии ультраконформной электроники на основе И, перенесенной на д) кожу человека и е) лист. (Перепечатано с разрешения Wiley-VCH Verlag)
«Для новых приложений, таких как биоэлектроника, конформный контакт с локальной поверхностью обеспечивает точный сбор сигнала и комфорт», — объясняет старший автор доктор Цзянь Чжу, ученый-материаловед из Нанкайского университета. «Наши И-пленки могут позволить электронике, подобной коже, тщательно адаптироваться к сложной топологической текстуре человеческой кожи».
Представление о том, что электроника легко сливается с физиологией человека, на протяжении десятилетий питало пылкие исследования. Также названный 'эпидермальная электроникаЭта концепция стала широко известна в 2011 году, когда биомедицинский инженер Джон Роджерс из Университета Иллинойса представил устройства «эпидермальной временной переносной татуировки», которые прикрепляются непосредственно к коже и распознают движение и частоту сердечных сокращений. Но такие ранние разработки столкнулись с такими ограничениями, как потенциальное раздражение кожи при длительном использовании.
Основная задача заключалась в разработке достаточно тонких, но прочных материалов, которые могли бы поддерживать электронные компоненты, незаметно сгибаясь на коже. Эластомеры обеспечивают растяжимость, но минимальную воздухопроницаемость. Полимерные пленки, такие как парилен, превосходны в качестве изоляторов, но их неудобно использовать на наноуровне. Другие варианты, такие как полиимид, требуют сложной химической обработки с использованием нестабильных жертвенных слоев.
Исследователи из Нанкай применили нетрадиционный подход, получив нанодиэлектрик из арамидного полимера, того же прочного материала, который используется в бронежилетах из кевлара. Они называют фильмы «И».
«Наш арамидный нанодиэлектрик имеет большие перспективы в качестве диэлектриков для будущей электроники, подобной коже», — говорит Чжу.
Команда расслаивает арамид на нановолокна шириной всего 10 нанометров и формирует из них пленки заданной толщины. Необычайно прочные межмолекулярные связи внутри полимерных цепей повышают адгезию и термостойкость, сохраняя при этом слои очень тонкими. АНД также могут быть прозрачными и проницаемыми для водяного пара, что делает их идеальными субстратами для трансдермальных биосенсорных пластырей.
«Пленки AND механически прочны, но при этом податливы, гладки и прозрачны», — говорит Чжу. «Они также химически инертны, термически стабильны до 300 –C и самоотделяются от обработки подложек без травящих растворителей».
Чтобы продемонстрировать реальную жизнеспособность, исследователи построили два совершенно разных устройства, используя пленки AND. Один из них — невосприимчивые к поту электроды для точного мониторинга электрофизиологических сигналов, таких как электромиография и электрокардиография. Другой гибкий микропроцессоры на полевых транзисторах достаточно тонкий, чтобы можно было обернуть человеческие волосы без потери производительности.
Установленные на коже серебряные нанопроволочные электроды с пленками AND успешно регистрировали мышечную и сердечную активность, даже когда испытуемые обильно потели или принимали душ. Обычные гелевые электроды вышли из строя в таких условиях, поскольку пот ухудшает проводимость. Исследователи связывают превосходные характеристики с воздухопроницаемостью, предотвращающей скопление пота под детекторами. Количественные измерения показали, что пленки AND толщиной 100 нм имеют скорость пропускания водяного пара, превышающую 90% воздействия открытого воздуха.
Между тем, полевые транзисторы размером с волосок с И-пленками, служащими одновременно диэлектриком затвора и подложкой, показали превосходные электронные свойства, такие как работа при низком напряжении до 4 В, подвижность 40 см.2/Vs, а коэффициенты включения/выключения превышают 100,000 XNUMX. И они выдержали экстремальное сгибание до окружности меньше человеческого волоса без видимых повреждений или снижения производительности.
«Сверхгибкие транзисторы могут нормально функционировать, если их намотать на человеческие волосы, без какого-либо ухудшения производительности», — отмечает Чжу.
Чжу утверждает, что большая часть существующей электроники для кожи основана на нестандартных методах нанопроизводства, слишком адаптированных для крупномасштабного производства, необходимых для массового внедрения в медицине. Но совместимость пленок AND с обычными рабочими процессами литографии преодолевает это препятствие.
«Наш подход к масштабированию пластин обеспечивает массовое производство и интеграцию с современными методами изготовления электроники», — объясняет он.
Хотя еще предстоит проделать дополнительную работу, прежде чем пациенты смогут воспользоваться преимуществами, обещанными гибкой электроникой, Чжу говорит тоном умеренного оптимизма.
«Мы предвидим, что арамидные нанодиэлектрики преобразят миниатюрные медицинские устройства и бионику следующего поколения», — говорит он. «Перенос этой технологии из области научной фантастики в клиническую реальность может оказать глубокое влияние на здоровье человека.
By
Майкл
Бергер
- Майкл является автором трех книг Королевского химического общества:
Нано-общество: раздвигая границы технологий,
Нанотехнология: будущее крошечнои
Наноинженерия: навыки и инструменты, делающие технологию невидимой
Все права защищены ©
ООО «Нановерк»
Станьте приглашенным автором Spotlight! Присоединяйтесь к нашей большой и растущей группе приглашенные участники. Вы только что опубликовали научную статью или хотите поделиться другими интересными событиями с сообществом нанотехнологов? Вот как опубликовать на nanowerk.com.
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
- ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
- ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
- Источник: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64467.php
- :имеет
- :является
- $UP
- 000
- 10
- 100
- 11
- 20
- 2011
- 300
- 31
- 32
- 40
- 7
- 8
- a
- приобретение
- деятельность
- приспосабливать
- адекватно
- соблюдение
- Принятие
- достижения
- AIR
- позволяет
- причислены
- an
- и
- любой
- очевидный
- Приложения
- подхода
- пылкий
- МЫ
- около
- AS
- At
- автор
- осведомленность
- b
- основанный
- BE
- было
- до
- польза
- Бергер
- сделанный на заказ
- биомедицинских
- пустой
- Книги
- Границы
- прорыв
- построенный
- пуленепробиваемый
- но
- by
- CAN
- Центр
- цепи
- вызов
- химический
- химия
- китайский
- Клинический
- объединять
- комфорт
- сообщество
- комплекс
- уступчивый
- компоненты
- сама концепция
- Условия
- проводимость
- обращайтесь
- обычный
- может
- суть
- громоздкий
- повреждение
- Время
- десятилетия
- Отклонить
- демонстрировать
- конструкций
- Несмотря на
- подробность
- события
- Устройства
- различный
- непосредственно
- вниз
- dr
- дублированный
- в течение
- e
- Рано
- легко
- эффект
- Электронный
- Electronics
- появление
- включить
- позволяет
- инженер
- Усиливает
- достаточно
- существенный
- Даже
- Excel
- отлично
- захватывающий
- существующий
- Объясняет
- Экспозиция
- экстремальный
- изготовление
- сталкиваются
- Oшибка
- волокна
- Рассказы
- поле
- пленки
- Трансформируемость
- гибкого
- Что касается
- предвидеть
- от
- подпитывается
- функция
- фьюзинг
- слияние
- будущее
- ворота
- поколение
- GIF
- цель
- большой
- группы
- Рост
- GUEST
- Hair
- обрабатывать
- Есть
- he
- Медицина
- Сердце
- иерархическая
- High
- имеет
- Как
- How To
- HTTPS
- человек
- идеальный
- Иллинойс
- изображение
- воображение
- Влияние
- in
- интеграции.
- тесно
- в
- запутанный
- John
- присоединиться
- JPG
- всего
- хранение
- большой
- крупномасштабный
- слоев
- такое как
- недостатки
- локальным
- логотип
- Длинное
- долгосрочный
- от
- машина
- Mainstream
- Создание
- человек
- производство
- Масса
- материала
- материалы
- Между тем
- размеры
- основным медицинским
- медицинские приборы
- методы
- Майкл
- средняя
- минимальный
- Модерн
- Мониторинг
- БОЛЕЕ
- самых
- движение
- мышца
- имя
- нанотехнологии
- Новые
- следующий
- Заметки
- сейчас
- препятствие
- of
- on
- ONE
- открытый
- операция
- оптимизм
- Опции
- or
- Другое
- наши
- бумага & картон
- Патчи
- пациентов
- производительность
- разрешение
- фотографии
- PHP
- Платон
- Платон Интеллектуальные данные
- ПлатонДанные
- полимер
- Популярное
- потенциал
- Точность
- предупреждение
- процесс
- обработка
- Производство
- глубоко
- Прогресс
- обещание
- обещанный
- Обещает
- многообещающий
- должным образом
- свойства
- протезирование
- Доказывать
- обеспечивать
- публиковать
- опубликованный
- издатель
- Издательство
- Нажимать
- количественный
- Обменный курс
- реальный мир
- Реальность
- область
- записанный
- полагаться
- остатки
- отчету
- требовать
- исследованиям
- исследователи
- Сопротивление
- Роджерс
- королевский
- губить
- то же
- говорит
- Наука
- Научная фантастика
- научный
- Ученый
- Ученые
- бесшовные
- легко
- старший
- датчик
- выступающей
- Поделиться
- показал
- показ
- сигнал
- сигналы
- кремний
- Серебро
- одновременно
- навыки
- Кожа
- меньше
- сгладить
- Общество
- специалисты
- Вращение
- Прожектор
- стабильный
- Придерживаться
- прочность
- Забастовки
- сильный
- Структура
- Успешно
- такие
- топ
- поддержка
- Поверхность
- ПОТ
- система
- с учетом
- мучающий
- команда
- снижения вреда
- Технологии
- временный
- срок
- тестXNUMX
- чем
- который
- Ассоциация
- Будущее
- их
- Их
- тепловой
- они
- этой
- хоть?
- тысячи
- три
- раз
- в
- TONE
- слишком
- инструменты
- к
- трансдермальный
- перевод
- переданы
- превращение
- прозрачный
- два
- нетрадиционный
- под
- общественного.
- Университет
- отпереть
- беспрецедентный
- представила
- Updates
- URL
- использование
- используемый
- через
- очень
- жизнеспособность
- видение
- провидец
- Вода
- когда
- который
- в то время как
- широкий
- в
- без
- Работа
- Рабочие процессы
- бы
- заворачивать
- Завернутый
- еще
- являетесь
- ВАШЕ
- зефирнет