20 janvier 2024
(Projecteur Nanowerk) Les appareils électroniques finement montés sur la peau humaine captivent depuis longtemps l'imagination scientifique, séduisant les spécialistes en promettant une fusion harmonieuse de l'homme et de la machine. De tels circuits épousant la peau pourraient débloquer des capteurs médicaux d’une acuité sans précédent ou des membres bioniques connectés au système nerveux. Mais malgré des décennies de recherches assidues, des matériaux inadéquats ont entravé les progrès vers cet objectif visionnaire.
Aujourd'hui, une équipe de scientifiques chinois des matériaux rapporte une percée dans la fabrication de films très fins, idéaux pour le montage de composants électroniques flexibles. Publication dans Matériaux avancés («Nanodiélectriques aramides pour peaux électroniques transparentes ultraconformales»), des chercheurs de l'Université de Nankai détaillent leurs couches polymères « nanodiélectriques aramide » sur mesure – baptisées AND – qui combinent de manière unique une épaisseur nanométrique et une flexibilité semblable à celle d'une aile avec une résilience robuste aux contraintes thermiques et chimiques qui ruineraient des films plus fragiles.
Avec une épaisseur de seulement 100 nanomètres – des milliers de fois plus fine qu’un cheveu humain – les films AND combinent une résistance élevée et une adhérence facile à la peau. Ils sont également transparents, respirants et peuvent résister à des températures supérieures à 300 °C.
Démonstration d'électronique ultraconformable basée sur les ET. a) La structure hiérarchique des fibres aramides. b) Illustrations schématiques du processus de fabrication et d'autodélaminage des appareils. c) Photographie des dispositifs sur AND fabriqués sur une plaquette de silicium de 3 pouces. d) Photographie montrant le processus d'autodélaminage des AND. e, f) Photographies de l'électronique ultraconforme basée sur des ET transférés sur e) la peau humaine et f) une feuille. (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag)
"Pour les applications émergentes telles que la bioélectronique, le contact conforme avec la surface locale permet une acquisition précise du signal et un confort optimal", explique l'auteur principal, le Dr Jian Zhu, scientifique des matériaux à l'Université de Nankai. "Nos films AND peuvent permettre à des composants électroniques semblables à la peau de s'adapter intimement à la texture topologique complexe de la peau humaine."
La vision d’une fusion harmonieuse de l’électronique et de la physiologie humaine alimente d’ardentes recherches depuis des décennies. Également surnommé «électronique épidermique», le concept a fait son apparition en 2011 lorsque l'ingénieur biomédical John Rogers de l'Université de l'Illinois a dévoilé des dispositifs de « tatouage à transfert temporaire épidermique » qui adhèrent directement à la peau, détectant les mouvements et la fréquence cardiaque. Mais ces premières conceptions étaient confrontées à des limites telles qu’une irritation potentielle de la peau lors d’une utilisation à long terme.
Le défi crucial a été de concevoir des matériaux suffisamment fins mais durables, capables de supporter les composants électroniques tout en fléchissant imperceptiblement sur la peau. Les élastomères offrent une extensibilité mais une respirabilité minimale. Les films polymères comme le parylène excellent en tant qu'isolants mais s'avèrent difficiles à manipuler à l'échelle nanométrique. D'autres options comme le polyimide nécessitent un traitement chimique complexe utilisant des couches sacrificielles instables.
Les chercheurs de Nankai ont adopté une approche non conventionnelle en dérivant leur nanodiélectrique d'un polymère aramide, le même matériau résistant que celui utilisé dans les gilets pare-balles en Kevlar. Ils appellent les films AND.
"Notre nanodiélectrique aramide est très prometteur en tant que diélectrique pour les futurs appareils électroniques de type peau", déclare Zhu.
L’équipe exfolie l’aramide en nanofibres de seulement 10 nanomètres de large, puis les enrobe par centrifugation pour former des films d’épaisseur adaptée. La liaison intermoléculaire remarquablement forte au sein des chaînes polymères améliore l’adhérence et la résistance à la chaleur tout en gardant les couches très fines. Les AND peuvent également être transparents et perméables à la vapeur d’eau, ce qui en fait des substrats idéaux pour les patchs de biodétection transdermique.
« Les films AND sont mécaniquement solides, mais souples, lisses et transparents », explique Zhu. « Ils sont également chimiquement inertes, thermiquement stables jusqu’à 300 °C et auto-détachables des substrats de traitement sans solvants de gravure. »
Pour démontrer la viabilité dans le monde réel, les chercheurs ont construit deux appareils très différents à l'aide de films AND. L’une d’entre elles concerne les électrodes anti-transpiration pour la surveillance précise des signaux électrophysiologiques tels que l’électromyographie et l’électrocardiographie. L'autre est flexible microprocesseurs à transistors à effet de champ Assez fin pour envelopper les cheveux humains sans perte de performance.
Les électrodes à nanofils d'argent montées sur la peau avec des films AND ont enregistré avec succès l'activité musculaire et cardiaque même lorsque les sujets testés transpiraient abondamment ou prenaient une douche. Les électrodes à gel conventionnelles ont échoué dans des conditions telles que la sueur dégrade la conductivité. Les chercheurs attribuent des performances supérieures à la respirabilité ET empêchant l’accumulation de sueur sous les détecteurs. Les mesures quantitatives ont montré que les films AND de 100 nm avaient un taux de transmission de vapeur d'eau supérieur à 90 % de l'exposition à l'air libre.
Pendant ce temps, les transistors à effet de champ épousant les cheveux, avec des films ET servant simultanément de diélectrique de grille et de substrat, ont montré d'excellentes propriétés électroniques comme un fonctionnement basse tension jusqu'à seulement 4 V, des mobilités de 40 cm.2/Vs et des rapports marche/arrêt supérieurs à 100,000 XNUMX. Et ils ont supporté une flexion extrême jusqu'à des circonférences plus petites qu'un cheveu humain sans dommage apparent ni baisse de performance.
"Les transistors ultraflexibles peuvent fonctionner correctement lorsqu'ils sont enroulés autour de cheveux humains sans aucune dégradation des performances", note Zhu.
Zhu affirme que la plupart des produits électroniques cutanés existants reposent sur des techniques de nanofabrication non standard, également conçues sur mesure pour une fabrication à grande échelle, essentielles à l'adoption médicale grand public. Mais la compatibilité des films AND avec les flux de travail lithographiques conventionnels surmonte cet obstacle.
« Notre approche à l'échelle de la tranche permet une production de masse et une intégration avec les méthodes modernes de fabrication électronique », explique-t-il.
Bien qu’il reste encore du travail à faire avant que les patients ne bénéficient des progrès promis par l’électronique flexible, Zhu adopte un ton d’optimisme tempéré.
«Nous prévoyons que les nanodiélectriques aramides transformeront les dispositifs médicaux miniaturisés et bioniques de nouvelle génération», dit-il. « Faire passer cette technologie du domaine de la science-fiction à la réalité clinique pourrait avoir un impact profond sur la santé humaine.
Démonstration d'électronique ultraconformable basée sur les ET. a) La structure hiérarchique des fibres aramides. b) Illustrations schématiques du processus de fabrication et d'autodélaminage des appareils. c) Photographie des dispositifs sur AND fabriqués sur une plaquette de silicium de 3 pouces. d) Photographie montrant le processus d'autodélaminage des AND. e, f) Photographies de l'électronique ultraconforme basée sur des ET transférés sur e) la peau humaine et f) une feuille. (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag)
"Pour les applications émergentes telles que la bioélectronique, le contact conforme avec la surface locale permet une acquisition précise du signal et un confort optimal", explique l'auteur principal, le Dr Jian Zhu, scientifique des matériaux à l'Université de Nankai. "Nos films AND peuvent permettre à des composants électroniques semblables à la peau de s'adapter intimement à la texture topologique complexe de la peau humaine."
La vision d’une fusion harmonieuse de l’électronique et de la physiologie humaine alimente d’ardentes recherches depuis des décennies. Également surnommé «électronique épidermique», le concept a fait son apparition en 2011 lorsque l'ingénieur biomédical John Rogers de l'Université de l'Illinois a dévoilé des dispositifs de « tatouage à transfert temporaire épidermique » qui adhèrent directement à la peau, détectant les mouvements et la fréquence cardiaque. Mais ces premières conceptions étaient confrontées à des limites telles qu’une irritation potentielle de la peau lors d’une utilisation à long terme.
Le défi crucial a été de concevoir des matériaux suffisamment fins mais durables, capables de supporter les composants électroniques tout en fléchissant imperceptiblement sur la peau. Les élastomères offrent une extensibilité mais une respirabilité minimale. Les films polymères comme le parylène excellent en tant qu'isolants mais s'avèrent difficiles à manipuler à l'échelle nanométrique. D'autres options comme le polyimide nécessitent un traitement chimique complexe utilisant des couches sacrificielles instables.
Les chercheurs de Nankai ont adopté une approche non conventionnelle en dérivant leur nanodiélectrique d'un polymère aramide, le même matériau résistant que celui utilisé dans les gilets pare-balles en Kevlar. Ils appellent les films AND.
"Notre nanodiélectrique aramide est très prometteur en tant que diélectrique pour les futurs appareils électroniques de type peau", déclare Zhu.
L’équipe exfolie l’aramide en nanofibres de seulement 10 nanomètres de large, puis les enrobe par centrifugation pour former des films d’épaisseur adaptée. La liaison intermoléculaire remarquablement forte au sein des chaînes polymères améliore l’adhérence et la résistance à la chaleur tout en gardant les couches très fines. Les AND peuvent également être transparents et perméables à la vapeur d’eau, ce qui en fait des substrats idéaux pour les patchs de biodétection transdermique.
« Les films AND sont mécaniquement solides, mais souples, lisses et transparents », explique Zhu. « Ils sont également chimiquement inertes, thermiquement stables jusqu’à 300 °C et auto-détachables des substrats de traitement sans solvants de gravure. »
Pour démontrer la viabilité dans le monde réel, les chercheurs ont construit deux appareils très différents à l'aide de films AND. L’une d’entre elles concerne les électrodes anti-transpiration pour la surveillance précise des signaux électrophysiologiques tels que l’électromyographie et l’électrocardiographie. L'autre est flexible microprocesseurs à transistors à effet de champ Assez fin pour envelopper les cheveux humains sans perte de performance.
Les électrodes à nanofils d'argent montées sur la peau avec des films AND ont enregistré avec succès l'activité musculaire et cardiaque même lorsque les sujets testés transpiraient abondamment ou prenaient une douche. Les électrodes à gel conventionnelles ont échoué dans des conditions telles que la sueur dégrade la conductivité. Les chercheurs attribuent des performances supérieures à la respirabilité ET empêchant l’accumulation de sueur sous les détecteurs. Les mesures quantitatives ont montré que les films AND de 100 nm avaient un taux de transmission de vapeur d'eau supérieur à 90 % de l'exposition à l'air libre.
Pendant ce temps, les transistors à effet de champ épousant les cheveux, avec des films ET servant simultanément de diélectrique de grille et de substrat, ont montré d'excellentes propriétés électroniques comme un fonctionnement basse tension jusqu'à seulement 4 V, des mobilités de 40 cm.2/Vs et des rapports marche/arrêt supérieurs à 100,000 XNUMX. Et ils ont supporté une flexion extrême jusqu'à des circonférences plus petites qu'un cheveu humain sans dommage apparent ni baisse de performance.
"Les transistors ultraflexibles peuvent fonctionner correctement lorsqu'ils sont enroulés autour de cheveux humains sans aucune dégradation des performances", note Zhu.
Zhu affirme que la plupart des produits électroniques cutanés existants reposent sur des techniques de nanofabrication non standard, également conçues sur mesure pour une fabrication à grande échelle, essentielles à l'adoption médicale grand public. Mais la compatibilité des films AND avec les flux de travail lithographiques conventionnels surmonte cet obstacle.
« Notre approche à l'échelle de la tranche permet une production de masse et une intégration avec les méthodes modernes de fabrication électronique », explique-t-il.
Bien qu’il reste encore du travail à faire avant que les patients ne bénéficient des progrès promis par l’électronique flexible, Zhu adopte un ton d’optimisme tempéré.
«Nous prévoyons que les nanodiélectriques aramides transformeront les dispositifs médicaux miniaturisés et bioniques de nouvelle génération», dit-il. « Faire passer cette technologie du domaine de la science-fiction à la réalité clinique pourrait avoir un impact profond sur la santé humaine.
– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
Nanotechnologie: l'avenir est minusculeet
Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
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