20 januari 2024
(Nanowerk Spotlight) Elektroniska enheter som är intrikat monterade på mänsklig hud har länge fängslat vetenskaplig fantasi, lockande specialister genom att lova en sömlös sammansmältning av människa och maskin. Sådana hudnära kretsar kan låsa upp medicinska sensorer med oöverträffad skärpa eller bioniska lemmar kopplade till nervsystemet. Men trots årtionden av idog forskning har otillräckliga material hindrat framsteg mot detta visionära mål.
Nu rapporterar ett team av kinesiska materialforskare ett genombrott i tillverkningen av vävnadstunna filmer som är idealiska för montering av flexibel elektronik. Publicerar i Advanced Materials ("Aramid Nanodielectrics for Ultraconformal Transparent Electronic Skins"), forskare från Nankai University detaljerar sina skräddarsydda "aramid nanodielektriska" polymerlager – kallade ANDs – som unikt kombinerar tjocklek i nanoskala och vingliknande flexibilitet med tålig motståndskraft mot termiska och kemiska påfrestningar som skulle förstöra ömtåligare filmer.
Med en tjocklek på bara 100 nanometer – tusentals gånger tunnare än ett människohår – kombinerar AND-filmerna hög styrka med lätt vidhäftning på huden. De är också transparenta, andas och tål temperaturer över 300 °C.
Demonstration av ultrakonform elektronik baserad på AND. a) Den hierarkiska strukturen hos aramidfibrer. b) Schematiska illustrationer av tillverknings- och självdelamineringsprocessen av enheterna. c) Fotografi av enheterna på ANDs tillverkade på en 3-tums kiselskiva. d) Fotografi som visar självdelamineringsprocessen av AND. e,f) Fotografier av den ultrakonforma elektroniken baserade på ANDs överförda till e) mänsklig hud och f) ett löv. (Återtryckt med tillstånd av Wiley-VCH Verlag)
"För nya applikationer som bioelektronik möjliggör konform kontakt med den lokala ytan precisionssignalupptagning och komfort", förklarar seniorförfattaren Dr Jian Zhu, materialvetare vid Nankai University. "Våra AND-filmer kan göra det möjligt för hudliknande elektronik att intimt anpassa sig till den intrikata topologiska strukturen hos mänsklig hud."
Visionen om elektronik som sömlöst smälter samman med mänsklig fysiologi har underblåst brinnande forskning i årtionden. Även dubbad 'epidermal elektronik’, bröt konceptet upp i folklig medvetenhet 2011 när den biomedicinska ingenjören John Rogers vid University of Illinois avtäckte "epidermal temporary transfer tattoo"-enheter som fäster direkt på huden, känner av rörelse och hjärtfrekvens. Men sådana tidiga konstruktioner hade begränsningar som potentiell hudirritation under långvarig användning.
Kärnutmaningen har varit att ta fram tillräckligt tunna men hållbara material som kan stödja elektroniska komponenter samtidigt som de omärkligt böjer sig på huden. Elastomerer ger töjbarhet men minimal andningsförmåga. Polymerfilmer som parylen utmärker sig som isolatorer men visar sig vara besvärliga att hantera i nanoskala. Andra alternativ som polyimid kräver komplex kemisk bearbetning med instabila offerlager.
Nankai-forskarna följde ett okonventionellt tillvägagångssätt, och hämtade sitt nanodielektriska från aramidpolymer, samma tåliga material som används i Kevlar skottsäkra västar. De kallar filmerna AND.
"Vår aramid nanodielektrikum lovar mycket som dielektrikum för framtida hudliknande elektronik", säger Zhu.
Teamet exfolierar aramid till nanofibrer som är bara 10 nanometer breda och spinnbelägger dem till filmer med skräddarsydd tjocklek. Den anmärkningsvärt starka intermolekylära bindningen inuti polymerkedjorna förbättrar vidhäftningen och värmebeständigheten samtidigt som de håller lagren tunna. ANDs kan också vara transparenta och genomsläppliga för vattenånga, vilket gör dem till idealiska substrat för transdermala biosensing-plåster.
"OCH-filmer är mekaniskt starka, men ändå följsamma, smidiga och transparenta", säger Zhu. "De är också kemiskt inerta, termiskt stabila upp till 300 -C och självavskiljbara från bearbetningssubstrat utan etsande lösningsmedel."
För att visa verklighetens livskraft byggde forskarna två mycket olika enheter med hjälp av OCH-filmer. En är svettimmuna elektroder för precisionsövervakning av elektrofysiologiska signaler som elektromyografi och elektrokardiografi. Den andra är flexibel fälteffekttransistormikroprocessorer tunn nog att svepa runt människohår utan prestandaförlust.
De hudmonterade silvernanotrådselektroderna med OCH-filmer registrerade framgångsrikt muskel- och hjärtaktivitet även när testpersonerna svettades rikligt eller duschade. Konventionella gelelektroder misslyckades under sådana förhållanden som svett försämrar konduktiviteten. Forskarna tillskriver överlägsen prestanda till OCH andningsförmåga som förhindrar svettuppbyggnad under detektorer. Kvantitativa mätningar visade att AND-filmerna på 100 nm hade en vattenångtransmissionshastighet som översteg 90 % av exponeringen utomhus.
Samtidigt visade de hårnära fälteffekttransistorerna, med OCH-filmer som samtidigt fungerade som grinddielektrikum och substrat, utmärkta elektroniska egenskaper som lågspänningsdrift ner till bara 4V, rörlighet på 40 cm2/Vs och på/av-förhållanden som överstiger 100,000 XNUMX. Och de utstod extrema böjningar till omkretsar som var mindre än ett människohår utan uppenbar skada eller försämrad prestanda.
"De ultraflexibla transistorerna kan fungera korrekt när de lindas runt människohår utan någon försämring av prestanda", konstaterar Zhu.
Zhu hävdar att den mesta befintliga hudelektroniken förlitar sig på icke-standardiserade nanotillverkningstekniker som är alltför skräddarsydda för storskalig tillverkning, vilket är avgörande för vanliga medicinska adoptioner. Men OCH-filmers mottaglighet för konventionella litografiska arbetsflöden övervinner detta hinder.
"Vår metod i wafer-skala möjliggör massproduktion och integration med moderna elektroniktillverkningsmetoder", förklarar han.
Även om mer arbete återstår innan patienterna drar nytta av de framsteg som utlovas av flexibel elektronik, slår Zhu en ton av dämpad optimism.
"Vi förutser att aramidnanodielektrik transformerar nästa generations miniatyriserade medicinska apparater och bionik", säger han. "Att föra den här tekniken från science fiction till den kliniska verkligheten kan djupgående påverka människors hälsa.
– Michael är författare till tre böcker av Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: Pushing the Boundsaries of Technology,
Nanoteknologi: Framtiden är litenoch
Nanoengineering: Färdigheterna och verktygen för att göra tekniken osynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bli en Spotlight-gästförfattare! Gå med i vår stora och växande grupp gäst bidragsgivare. Har du precis publicerat en vetenskaplig uppsats eller har någon annan spännande utveckling att dela med nanoteknologinsamhället? Så här publicerar du på nanowerk.com.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64467.php
- : har
- :är
- $UPP
- 000
- 10
- 100
- 11
- 20
- 2011
- 300
- 31
- 32
- 40
- 7
- 8
- a
- förvärv
- aktivitet
- anpassa
- adekvat
- efterlevnad
- Antagande
- framsteg
- LUFT
- tillåter
- också
- an
- och
- vilken som helst
- skenbar
- tillämpningar
- tillvägagångssätt
- brinnande
- ÄR
- runt
- AS
- At
- Författaren
- medvetenhet
- b
- baserat
- BE
- varit
- innan
- fördel
- Berger
- beställda
- biomedicinsk
- blank
- Böcker
- gränser
- genombrott
- byggt
- Bulletproof
- men
- by
- KAN
- Centrum
- kedjor
- utmanar
- kemisk
- kemi
- kinesisk
- Klinisk
- kombinera
- bekvämlighet
- samfundet
- komplex
- kompatibel
- komponenter
- begrepp
- villkor
- konduktivitet
- kontakta
- konventionell
- kunde
- springande punkten
- besvärlig
- skada
- Datum
- årtionden
- Nedgång
- demonstrera
- mönster
- Trots
- detalj
- utvecklingen
- enheter
- olika
- direkt
- ner
- dr
- dubbade
- under
- e
- Tidig
- lätt
- effekt
- Elektronisk
- Elektronik
- smärgel
- möjliggöra
- möjliggör
- ingenjör
- Förbättrar
- tillräckligt
- väsentlig
- Även
- excel
- utmärkt
- spännande
- befintliga
- Förklarar
- Exponering
- extrem
- fabricera
- inför
- Misslyckades
- fibrer
- Fiktion
- fält
- filmer
- Flexibilitet
- flexibel
- För
- förutse
- från
- fueled
- fungera
- fixerings
- sammansmältning
- framtida
- gate
- generering
- gif
- Målet
- stor
- Grupp
- Odling
- Gäst
- Hår
- hantera
- Har
- he
- Hälsa
- Hjärta
- hierarkisk
- Hög
- innehar
- Hur ser din drömresa ut
- How To
- HTTPS
- humant
- idealisk
- Illinois
- bild
- fantasi
- Inverkan
- in
- integrering
- intimt
- in
- invecklad
- John
- delta
- jpg
- bara
- hålla
- Large
- storskalig
- skikt
- tycka om
- begränsningar
- lokal
- logotyp
- Lång
- lång sikt
- förlust
- Maskinen
- Vanliga
- Framställning
- människa
- Produktion
- Massa
- Materialet
- material
- Samtidigt
- mätningar
- medicinsk
- medicintekniska produkter
- metoder
- Michael
- Mitten
- minimum
- Modern Konst
- övervakning
- mer
- mest
- rörelse
- muskel
- namn
- nanoteknologi
- Nya
- Nästa
- Anmärkningar
- nu
- hinder
- of
- on
- ONE
- öppet
- drift
- Optimism
- Tillbehör
- or
- Övriga
- vår
- Papper
- Plåster
- patienter
- prestanda
- tillstånd
- Fotografierna
- PHP
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatonData
- polymer
- Populära
- potentiell
- Precision
- förebyggande
- process
- bearbetning
- Produktion
- djupt
- Framsteg
- löfte
- utlovade
- lovar
- lovande
- ordentligt
- egenskaper
- proteser
- Bevisa
- ge
- publicera
- publicerade
- utgivare
- publicering
- Tryckande
- kvantitativ
- Betygsätta
- verkliga världen
- Verkligheten
- rike
- registreras
- förlita
- resterna
- rapport
- kräver
- forskning
- forskare
- Resistens
- Rogers
- kungliga
- ruin
- Samma
- säger
- Vetenskap
- Science Fiction
- vetenskaplig
- Forskare
- vetenskapsmän
- sömlös
- sömlöst
- senior
- sensor
- portion
- Dela
- visade
- visar
- Signal
- signaler
- Kisel
- Silver
- samtidigt
- färdigheter
- Hud
- mindre
- släta
- Samhället
- specialister
- Snurra
- Spotlight
- stabil
- Stick
- hållfasthet
- Strejker
- stark
- struktur
- Framgångsrikt
- sådana
- överlägsen
- stödja
- yta
- SVETTAS
- system
- skräddarsydd
- frestande
- grupp
- tekniker
- Teknologi
- temporär
- termin
- testa
- än
- den där
- Smakämnen
- Framtiden
- deras
- Dem
- termisk
- de
- detta
- fastän?
- tusentals
- tre
- gånger
- till
- TON
- alltför
- verktyg
- mot
- transdermalt
- överföring
- överförd
- omvandla
- transparent
- två
- okonventionell
- under
- unikt
- universitet
- låsa
- utan motstycke
- avtäckt
- Uppdateringar
- URL
- användning
- Begagnade
- med hjälp av
- mycket
- livskraft
- syn
- visionär
- Vatten
- när
- som
- medan
- bred
- med
- inom
- utan
- Arbete
- arbetsflöden
- skulle
- linda
- Wrapped
- ännu
- dig
- Din
- zephyrnet