20 يناير 2024
(أضواء Nanowerkلقد أسرت الأجهزة الإلكترونية المثبتة بشكل معقد على جلد الإنسان الخيال العلمي لفترة طويلة، وأذهلت المتخصصين من خلال الوعد بالاندماج السلس بين الإنسان والآلة. يمكن لمثل هذه الدوائر التي تعانق الجلد أن تطلق العنان لأجهزة استشعار طبية ذات حدة غير مسبوقة أو أطراف إلكترونية متصلة بالجهاز العصبي. ولكن على الرغم من عقود من البحث الدؤوب، فإن المواد غير الكافية أعاقت التقدم نحو هذا الهدف البصري. الآن أعلن فريق من علماء المواد الصينيين عن تحقيق تقدم كبير في تصنيع أغشية رقيقة من الأنسجة مثالية لتركيب الإلكترونيات المرنة. النشر في المواد المتقدمة ("الأراميد النانوي الكهربائي للجلود الإلكترونية الشفافة للغاية")، قام باحثون من جامعة نانكاي بتفصيل طبقات البوليمر "الأراميد النانوية الكهربائية" المصممة خصيصًا - والتي يطلق عليها اسم ANDs - والتي تجمع بشكل فريد بين سمك النانو والمرونة الشبيهة بالجناح مع المرونة القوية للضغوط الحرارية والكيميائية التي من شأنها أن تدمر الأفلام الأكثر هشاشة. بسمك 100 نانومتر فقط - أرق بآلاف المرات من شعرة الإنسان - تجمع أفلام AND بين القوة العالية وسهولة الالتصاق بالجلد. كما أنها شفافة وقابلة للتنفس ويمكنها تحمل درجات حرارة تتجاوز 300 درجة مئوية.
عرض للإلكترونيات فائقة التوافق على أساس ANDs. أ) الهيكل الهرمي لألياف الأراميد. ب) الرسوم التوضيحية التخطيطية لعملية التصنيع والتفريغ الذاتي للأجهزة. ج) صورة للأجهزة الموجودة على ANDs المصنعة على رقاقة سيليكون مقاس 3 بوصة. د) صورة توضح عملية التصفيح الذاتي لـ ANDs. ه، و) صور فوتوغرافية للإلكترونيات فائقة التوافق بناءً على ANDs المنقولة إلى ه) جلد الإنسان و) ورقة. (أعيد طبعه بإذن من Wiley-VCH Verlag) "بالنسبة للتطبيقات الناشئة مثل الإلكترونيات الحيوية، يتيح الاتصال المطابق مع السطح المحلي الحصول على إشارة دقيقة والراحة"، يوضح المؤلف الرئيسي الدكتور جيان تشو، عالم المواد في جامعة نانكاى. "يمكن لأفلامنا AND تمكين الإلكترونيات الشبيهة بالجلد من التكيف بشكل وثيق مع النسيج الطوبولوجي المعقد لجلد الإنسان." إن رؤية الإلكترونيات التي تندمج بسلاسة مع علم وظائف الأعضاء البشرية قد غذت الأبحاث المتحمسة لعقود من الزمن. مدبلج أيضاً"إلكترونيات البشرة"، انتشر هذا المفهوم في الوعي الشعبي في عام 2011 عندما كشف مهندس الطب الحيوي جون روجرز في جامعة إلينوي عن أجهزة "وشم النقل المؤقت للبشرة" التي تلتصق مباشرة بالجلد، وتستشعر الحركة ومعدل ضربات القلب. لكن مثل هذه التصميمات المبكرة واجهت قيودًا مثل احتمال تهيج الجلد أثناء الاستخدام طويل الأمد. ويتمثل التحدي الأساسي في ابتكار مواد رفيعة بدرجة كافية ولكنها متينة يمكنها دعم المكونات الإلكترونية مع ثنيها بشكل غير محسوس على الجلد. توفر المطاط الصناعي قابلية التمدد ولكن الحد الأدنى من التهوية. تتفوق أفلام البوليمر مثل الباريلين كعوازل، ولكنها تكون مرهقة في التعامل معها على المستوى النانوي. تتطلب الخيارات الأخرى مثل البوليميد معالجة كيميائية معقدة باستخدام طبقات مضحية غير مستقرة. اتبع باحثو نانكاي نهجًا غير تقليدي، حيث استمدوا عازلهم الكهربائي النانوي من بوليمر الأراميد، وهي نفس المادة القوية المستخدمة في سترات كيفلر المضادة للرصاص. يسمون الأفلام ANDs. يقول تشو: "إن منتجنا من الأراميد الكهربائي النانوي يحمل وعدًا كبيرًا كمواد عازلة للإلكترونيات المستقبلية الشبيهة بالجلد". يقوم الفريق بتقشير الأراميد وتحويله إلى ألياف نانوية يبلغ عرضها 10 نانومتر فقط، ثم يقوم بتدويرها إلى طبقات ذات سماكة مخصصة. يعمل الترابط الجزيئي القوي بشكل ملحوظ داخل سلاسل البوليمر على تعزيز الالتصاق ومقاومة الحرارة مع الحفاظ على طبقات رقيقة. يمكن أيضًا أن تكون ANDs شفافة ونفاذية لبخار الماء، مما يجعلها ركائز مثالية لرقع الاستشعار الحيوي عبر الجلد. يقول تشو: "إن الأفلام قوية ميكانيكيًا، ولكنها متوافقة، وسلسة وشفافة". "كما أنها خاملة كيميائيًا، ومستقرة حرارياً حتى 300 درجة مئوية، ويمكن فصلها ذاتيًا عن ركائز المعالجة دون نقش المذيبات." ولإثبات قابلية الاستخدام في العالم الحقيقي، قام الباحثون ببناء جهازين مختلفين تمامًا باستخدام أفلام AND. أحدهما هو أقطاب مناعية للعرق للمراقبة الدقيقة للإشارات الكهربية مثل تخطيط كهربية العضل وتخطيط كهربية القلب. والآخر مرن المعالجات الدقيقة الترانزستور ذو التأثير الميداني رقيقة بما يكفي للالتفاف حول الشعر البشري دون فقدان الأداء. نجحت أقطاب الأسلاك الفضية النانوية المثبتة على الجلد والمزودة بأفلام AND في تسجيل نشاط العضلات والقلب حتى عند تعرض الأشخاص للاختبار للتعرق بغزارة أو الاستحمام. فشلت أقطاب الهلام التقليدية في ظل ظروف مثل العرق الذي يؤدي إلى تدهور الموصلية. يعزو الباحثون الأداء المتفوق إلى القدرة على التنفس ومنع تراكم العرق تحت أجهزة الكشف. أظهرت القياسات الكمية أن الأغشية ذات الـ 100 نانومتر لها معدل انتقال لبخار الماء يتجاوز 90% من التعرض للهواء الطلق. وفي الوقت نفسه، أظهرت الترانزستورات ذات التأثير الميداني الرائعة، مع الأفلام AND التي تعمل في نفس الوقت كعازل للبوابة والركيزة، خصائص إلكترونية ممتازة مثل التشغيل بجهد منخفض يصل إلى 4 فولت فقط، وقابلية تنقل تبلغ 40 سم2/Vs، ونسب التشغيل/الإيقاف تتجاوز 100,000. وقد تحملوا الانحناء الشديد لمحيطات أصغر من شعرة الإنسان دون حدوث ضرر واضح أو انخفاض في الأداء. يقول تشو: "يمكن للترانزستورات فائقة المرونة أن تعمل بشكل صحيح عند لفها حول شعر الإنسان دون أي تدهور في الأداء". يؤكد تشو أن معظم إلكترونيات الجلد الموجودة تعتمد على تقنيات تصنيع نانوية غير قياسية مصممة خصيصًا للتصنيع على نطاق واسع، وهي ضرورية للتبني الطبي السائد. لكن قابلية توافق الأفلام AND مع سير عمل الطباعة الحجرية التقليدية تتغلب على هذه العقبة. ويوضح قائلاً: "إن نهجنا على نطاق الرقاقات يتيح الإنتاج الضخم والتكامل مع أساليب تصنيع الإلكترونيات الحديثة". على الرغم من أنه لا يزال هناك المزيد من العمل قبل أن يستفيد المرضى من التطورات التي وعدت بها الإلكترونيات المرنة، فإن تشو يظهر نبرة من التفاؤل المعتدل. ويقول: "نتوقع أن تؤدي مركبات الأراميد الكهربائية النانوية إلى تحويل الجيل القادم من الأجهزة الطبية المصغرة والإلكترونيات الإلكترونية". "إن نقل هذه التكنولوجيا من عالم الخيال العلمي إلى الواقع السريري يمكن أن يؤثر بشكل عميق على صحة الإنسان.
عرض للإلكترونيات فائقة التوافق على أساس ANDs. أ) الهيكل الهرمي لألياف الأراميد. ب) الرسوم التوضيحية التخطيطية لعملية التصنيع والتفريغ الذاتي للأجهزة. ج) صورة للأجهزة الموجودة على ANDs المصنعة على رقاقة سيليكون مقاس 3 بوصة. د) صورة توضح عملية التصفيح الذاتي لـ ANDs. ه، و) صور فوتوغرافية للإلكترونيات فائقة التوافق بناءً على ANDs المنقولة إلى ه) جلد الإنسان و) ورقة. (أعيد طبعه بإذن من Wiley-VCH Verlag) "بالنسبة للتطبيقات الناشئة مثل الإلكترونيات الحيوية، يتيح الاتصال المطابق مع السطح المحلي الحصول على إشارة دقيقة والراحة"، يوضح المؤلف الرئيسي الدكتور جيان تشو، عالم المواد في جامعة نانكاى. "يمكن لأفلامنا AND تمكين الإلكترونيات الشبيهة بالجلد من التكيف بشكل وثيق مع النسيج الطوبولوجي المعقد لجلد الإنسان." إن رؤية الإلكترونيات التي تندمج بسلاسة مع علم وظائف الأعضاء البشرية قد غذت الأبحاث المتحمسة لعقود من الزمن. مدبلج أيضاً"إلكترونيات البشرة"، انتشر هذا المفهوم في الوعي الشعبي في عام 2011 عندما كشف مهندس الطب الحيوي جون روجرز في جامعة إلينوي عن أجهزة "وشم النقل المؤقت للبشرة" التي تلتصق مباشرة بالجلد، وتستشعر الحركة ومعدل ضربات القلب. لكن مثل هذه التصميمات المبكرة واجهت قيودًا مثل احتمال تهيج الجلد أثناء الاستخدام طويل الأمد. ويتمثل التحدي الأساسي في ابتكار مواد رفيعة بدرجة كافية ولكنها متينة يمكنها دعم المكونات الإلكترونية مع ثنيها بشكل غير محسوس على الجلد. توفر المطاط الصناعي قابلية التمدد ولكن الحد الأدنى من التهوية. تتفوق أفلام البوليمر مثل الباريلين كعوازل، ولكنها تكون مرهقة في التعامل معها على المستوى النانوي. تتطلب الخيارات الأخرى مثل البوليميد معالجة كيميائية معقدة باستخدام طبقات مضحية غير مستقرة. اتبع باحثو نانكاي نهجًا غير تقليدي، حيث استمدوا عازلهم الكهربائي النانوي من بوليمر الأراميد، وهي نفس المادة القوية المستخدمة في سترات كيفلر المضادة للرصاص. يسمون الأفلام ANDs. يقول تشو: "إن منتجنا من الأراميد الكهربائي النانوي يحمل وعدًا كبيرًا كمواد عازلة للإلكترونيات المستقبلية الشبيهة بالجلد". يقوم الفريق بتقشير الأراميد وتحويله إلى ألياف نانوية يبلغ عرضها 10 نانومتر فقط، ثم يقوم بتدويرها إلى طبقات ذات سماكة مخصصة. يعمل الترابط الجزيئي القوي بشكل ملحوظ داخل سلاسل البوليمر على تعزيز الالتصاق ومقاومة الحرارة مع الحفاظ على طبقات رقيقة. يمكن أيضًا أن تكون ANDs شفافة ونفاذية لبخار الماء، مما يجعلها ركائز مثالية لرقع الاستشعار الحيوي عبر الجلد. يقول تشو: "إن الأفلام قوية ميكانيكيًا، ولكنها متوافقة، وسلسة وشفافة". "كما أنها خاملة كيميائيًا، ومستقرة حرارياً حتى 300 درجة مئوية، ويمكن فصلها ذاتيًا عن ركائز المعالجة دون نقش المذيبات." ولإثبات قابلية الاستخدام في العالم الحقيقي، قام الباحثون ببناء جهازين مختلفين تمامًا باستخدام أفلام AND. أحدهما هو أقطاب مناعية للعرق للمراقبة الدقيقة للإشارات الكهربية مثل تخطيط كهربية العضل وتخطيط كهربية القلب. والآخر مرن المعالجات الدقيقة الترانزستور ذو التأثير الميداني رقيقة بما يكفي للالتفاف حول الشعر البشري دون فقدان الأداء. نجحت أقطاب الأسلاك الفضية النانوية المثبتة على الجلد والمزودة بأفلام AND في تسجيل نشاط العضلات والقلب حتى عند تعرض الأشخاص للاختبار للتعرق بغزارة أو الاستحمام. فشلت أقطاب الهلام التقليدية في ظل ظروف مثل العرق الذي يؤدي إلى تدهور الموصلية. يعزو الباحثون الأداء المتفوق إلى القدرة على التنفس ومنع تراكم العرق تحت أجهزة الكشف. أظهرت القياسات الكمية أن الأغشية ذات الـ 100 نانومتر لها معدل انتقال لبخار الماء يتجاوز 90% من التعرض للهواء الطلق. وفي الوقت نفسه، أظهرت الترانزستورات ذات التأثير الميداني الرائعة، مع الأفلام AND التي تعمل في نفس الوقت كعازل للبوابة والركيزة، خصائص إلكترونية ممتازة مثل التشغيل بجهد منخفض يصل إلى 4 فولت فقط، وقابلية تنقل تبلغ 40 سم2/Vs، ونسب التشغيل/الإيقاف تتجاوز 100,000. وقد تحملوا الانحناء الشديد لمحيطات أصغر من شعرة الإنسان دون حدوث ضرر واضح أو انخفاض في الأداء. يقول تشو: "يمكن للترانزستورات فائقة المرونة أن تعمل بشكل صحيح عند لفها حول شعر الإنسان دون أي تدهور في الأداء". يؤكد تشو أن معظم إلكترونيات الجلد الموجودة تعتمد على تقنيات تصنيع نانوية غير قياسية مصممة خصيصًا للتصنيع على نطاق واسع، وهي ضرورية للتبني الطبي السائد. لكن قابلية توافق الأفلام AND مع سير عمل الطباعة الحجرية التقليدية تتغلب على هذه العقبة. ويوضح قائلاً: "إن نهجنا على نطاق الرقاقات يتيح الإنتاج الضخم والتكامل مع أساليب تصنيع الإلكترونيات الحديثة". على الرغم من أنه لا يزال هناك المزيد من العمل قبل أن يستفيد المرضى من التطورات التي وعدت بها الإلكترونيات المرنة، فإن تشو يظهر نبرة من التفاؤل المعتدل. ويقول: "نتوقع أن تؤدي مركبات الأراميد الكهربائية النانوية إلى تحويل الجيل القادم من الأجهزة الطبية المصغرة والإلكترونيات الإلكترونية". "إن نقل هذه التكنولوجيا من عالم الخيال العلمي إلى الواقع السريري يمكن أن يؤثر بشكل عميق على صحة الإنسان.
By
مايكل
بيرجر
- مايكل مؤلف لثلاثة كتب للجمعية الملكية للكيمياء:
جمعية النانو: دفع حدود التكنولوجيا,
تقنية النانو: المستقبل صغيرو
هندسة النانو: المهارات والأدوات التي تجعل التكنولوجيا غير مرئية
حقوق الطبع والنشر ©
نانويرك ذ
كن مؤلفًا ضيفًا في Spotlight! انضم إلى مجموعتنا الكبيرة والمتنامية من المساهمين الضيوف. هل نشرت للتو ورقة علمية أو لديك تطورات أخرى مثيرة لمشاركتها مع مجتمع تكنولوجيا النانو؟ إليك كيفية النشر على nanowerk.com.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64467.php
