20 januari 2024
(Nanowerk-schijnwerper) Elektronische apparaten die op een ingewikkelde manier op de menselijke huid zijn gemonteerd, hebben de wetenschappelijke verbeelding al lang geboeid en specialisten geprikkeld door een naadloze samensmelting van mens en machine te beloven. Dergelijke huidomhelzende circuits zouden medische sensoren met een ongekende scherpte of bionische ledematen kunnen ontgrendelen die op het zenuwstelsel zijn aangesloten. Maar ondanks tientallen jaren van ijverig onderzoek hebben ontoereikende materialen de vooruitgang in de richting van dit visionaire doel belemmerd.
Nu rapporteert een team van Chinese materiaalwetenschappers een doorbraak in het vervaardigen van weefseldunne films die ideaal zijn voor het monteren van flexibele elektronica. Publiceren binnen Geavanceerde materialen (“Aramide nanodiëlektrica voor ultraconforme transparante elektronische huiden”), beschrijven onderzoekers van de Nankai Universiteit hun op maat gemaakte ‘aramide nanodiëlektrische’ polymeerlagen – AND’s genoemd – die op unieke wijze dikte op nanoschaal en vleugelachtige flexibiliteit combineren met een sterke veerkracht tegen thermische en chemische spanningen die kwetsbaardere films zouden ruïneren.
Met een dikte van slechts 100 nanometer – duizenden keren dunner dan een mensenhaar – combineren de AND-films hoge sterkte met gemakkelijke hechting aan de huid. Ze zijn bovendien transparant, ademend en bestand tegen temperaturen boven de 300 °C.
Demonstratie van ultraconformeerbare elektronica op basis van AND's. a) De hiërarchische structuur van aramidevezels. b) Schematische illustraties van het fabricage- en zelfdelamineringsproces van de apparaten. c) Foto van de apparaten op AND's vervaardigd op een siliciumwafel van 3 cm. d) Foto die het zelfdelamineringsproces van de AND's toont. e,f) Foto's van de ultraconforme elektronica op basis van AND's overgebracht op e) menselijke huid en f) een blad. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag)
"Voor opkomende toepassingen zoals bio-elektronica maakt conformeel contact met het lokale oppervlak nauwkeurige signaalverwerving en comfort mogelijk", legt senior auteur Dr. Jian Zhu, materiaalwetenschapper aan de Nankai Universiteit, uit. “Onze AND-films kunnen ervoor zorgen dat huidachtige elektronica zich intiem kan aanpassen aan de ingewikkelde topologische textuur van de menselijke huid.”
De visie van elektronica die naadloos samensmelt met de menselijke fysiologie heeft decennialang vurig onderzoek aangewakkerd. Ook wel ‘epidermale elektronica', werd het concept in 2011 algemeen bekend toen biomedisch ingenieur John Rogers van de Universiteit van Illinois 'epidermale tijdelijke transfer tattoo'-apparaten onthulde die rechtstreeks op de huid plakken en beweging en hartslag waarnemen. Maar dergelijke vroege ontwerpen hadden te maken met beperkingen, zoals mogelijke huidirritatie bij langdurig gebruik.
De crux-uitdaging was het bedenken van voldoende dunne maar duurzame materialen die elektronische componenten kunnen ondersteunen terwijl ze onmerkbaar op de huid buigen. Elastomeren zorgen voor rekbaarheid maar minimaal ademend vermogen. Polymeerfilms zoals paryleen blinken uit als isolatoren, maar blijken lastig te hanteren op nanoschaal. Andere opties zoals polyimide vereisen complexe chemische verwerking waarbij gebruik wordt gemaakt van onstabiele opofferingslagen.
De Nankai-onderzoekers volgden een onconventionele aanpak en ontleenden hun nanodiëlektricum aan aramidepolymeer, hetzelfde sterke materiaal dat wordt gebruikt in kogelvrije vesten van Kevlar. Ze noemen de films AND's.
“Ons aramide nanodiëlektricum is veelbelovend als diëlektricum voor toekomstige huidachtige elektronica”, zegt Zhu.
Het team exfolieert aramide tot nanovezels van slechts 10 nanometer breed en spincoat ze tot films met een op maat gemaakte dikte. De opmerkelijk sterke intermoleculaire binding binnen de polymeerketens verbetert de hechting en hittebestendigheid, terwijl de lagen flinterdun blijven. AND's kunnen ook transparant en waterdampdoorlatend zijn, waardoor ze ideale substraten zijn voor transdermale biosensorpleisters.
“AND-films zijn mechanisch sterk, maar toch soepel, glad en transparant”, zegt Zhu. “Ze zijn ook chemisch inert, thermisch stabiel tot 300 °C en zelf los te maken van de verwerking van substraten zonder etsende oplosmiddelen.”
Om de levensvatbaarheid in de echte wereld aan te tonen, bouwden de onderzoekers twee heel verschillende apparaten met behulp van AND-films. Eén daarvan zijn zweet-immuunelektroden voor nauwkeurige monitoring van elektrofysiologische signalen zoals elektromyografie en elektrocardiografie. De andere is flexibel microprocessors met veldeffecttransistors dun genoeg om menselijke haren te wikkelen zonder prestatieverlies.
De op de huid gemonteerde zilveren nanodraadelektroden met AND-films registreerden met succes de spier- en hartactiviteit, zelfs wanneer proefpersonen hevig zweetten of douchten. Conventionele gelelektroden faalden onder omstandigheden waarbij zweet de geleidbaarheid aantast. De onderzoekers schrijven superieure prestaties toe aan het ademend vermogen van AND, waardoor de opbouw van zweet onder de detectoren wordt voorkomen. Kwantitatieve metingen toonden aan dat de 100 nm AND-films een waterdamptransmissiesnelheid hadden die hoger was dan 90% van de blootstelling aan de open lucht.
Ondertussen vertoonden de haarknuffelende veldeffecttransistoren, met AND-films die tegelijkertijd als poortdiëlektricum en substraat dienden, uitstekende elektronische eigenschappen, zoals werking bij laagspanning tot slechts 4V, mobiliteiten van 40 cm2/Vs en aan/uit-verhoudingen van meer dan 100,000. En ze hebben extreme buigingen doorstaan tot een omtrek kleiner dan een mensenhaar, zonder duidelijke schade of prestatieverlies.
“De ultraflexibele transistors kunnen goed functioneren als ze om menselijk haar worden gewikkeld, zonder dat de prestaties afnemen”, merkt Zhu op.
Zhu beweert dat de meeste bestaande huidelektronica afhankelijk is van niet-standaard nanofabricagetechnieken die te specifiek zijn gemaakt voor grootschalige productie, wat essentieel is voor reguliere medische adoptie. Maar de geschiktheid van AND-films voor conventionele lithografische workflows overwint dit obstakel.
“Onze aanpak op waferschaal maakt massaproductie en integratie met moderne elektronica-fabricagemethoden mogelijk”, legt hij uit.
Hoewel er nog meer werk moet worden verricht voordat patiënten kunnen profiteren van de vooruitgang die flexibele elektronica belooft, slaat Zhu een toon van gematigd optimisme aan.
“We voorzien dat aramide nanodiëlektrica de volgende generatie geminiaturiseerde medische apparaten en bionica zullen transformeren”, zegt hij. “Het overbrengen van deze technologie van het domein van science fiction naar de klinische realiteit zou een diepgaande impact kunnen hebben op de menselijke gezondheid.
Demonstratie van ultraconformeerbare elektronica op basis van AND's. a) De hiërarchische structuur van aramidevezels. b) Schematische illustraties van het fabricage- en zelfdelamineringsproces van de apparaten. c) Foto van de apparaten op AND's vervaardigd op een siliciumwafel van 3 cm. d) Foto die het zelfdelamineringsproces van de AND's toont. e,f) Foto's van de ultraconforme elektronica op basis van AND's overgebracht op e) menselijke huid en f) een blad. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag)
"Voor opkomende toepassingen zoals bio-elektronica maakt conformeel contact met het lokale oppervlak nauwkeurige signaalverwerving en comfort mogelijk", legt senior auteur Dr. Jian Zhu, materiaalwetenschapper aan de Nankai Universiteit, uit. “Onze AND-films kunnen ervoor zorgen dat huidachtige elektronica zich intiem kan aanpassen aan de ingewikkelde topologische textuur van de menselijke huid.”
De visie van elektronica die naadloos samensmelt met de menselijke fysiologie heeft decennialang vurig onderzoek aangewakkerd. Ook wel ‘epidermale elektronica', werd het concept in 2011 algemeen bekend toen biomedisch ingenieur John Rogers van de Universiteit van Illinois 'epidermale tijdelijke transfer tattoo'-apparaten onthulde die rechtstreeks op de huid plakken en beweging en hartslag waarnemen. Maar dergelijke vroege ontwerpen hadden te maken met beperkingen, zoals mogelijke huidirritatie bij langdurig gebruik.
De crux-uitdaging was het bedenken van voldoende dunne maar duurzame materialen die elektronische componenten kunnen ondersteunen terwijl ze onmerkbaar op de huid buigen. Elastomeren zorgen voor rekbaarheid maar minimaal ademend vermogen. Polymeerfilms zoals paryleen blinken uit als isolatoren, maar blijken lastig te hanteren op nanoschaal. Andere opties zoals polyimide vereisen complexe chemische verwerking waarbij gebruik wordt gemaakt van onstabiele opofferingslagen.
De Nankai-onderzoekers volgden een onconventionele aanpak en ontleenden hun nanodiëlektricum aan aramidepolymeer, hetzelfde sterke materiaal dat wordt gebruikt in kogelvrije vesten van Kevlar. Ze noemen de films AND's.
“Ons aramide nanodiëlektricum is veelbelovend als diëlektricum voor toekomstige huidachtige elektronica”, zegt Zhu.
Het team exfolieert aramide tot nanovezels van slechts 10 nanometer breed en spincoat ze tot films met een op maat gemaakte dikte. De opmerkelijk sterke intermoleculaire binding binnen de polymeerketens verbetert de hechting en hittebestendigheid, terwijl de lagen flinterdun blijven. AND's kunnen ook transparant en waterdampdoorlatend zijn, waardoor ze ideale substraten zijn voor transdermale biosensorpleisters.
“AND-films zijn mechanisch sterk, maar toch soepel, glad en transparant”, zegt Zhu. “Ze zijn ook chemisch inert, thermisch stabiel tot 300 °C en zelf los te maken van de verwerking van substraten zonder etsende oplosmiddelen.”
Om de levensvatbaarheid in de echte wereld aan te tonen, bouwden de onderzoekers twee heel verschillende apparaten met behulp van AND-films. Eén daarvan zijn zweet-immuunelektroden voor nauwkeurige monitoring van elektrofysiologische signalen zoals elektromyografie en elektrocardiografie. De andere is flexibel microprocessors met veldeffecttransistors dun genoeg om menselijke haren te wikkelen zonder prestatieverlies.
De op de huid gemonteerde zilveren nanodraadelektroden met AND-films registreerden met succes de spier- en hartactiviteit, zelfs wanneer proefpersonen hevig zweetten of douchten. Conventionele gelelektroden faalden onder omstandigheden waarbij zweet de geleidbaarheid aantast. De onderzoekers schrijven superieure prestaties toe aan het ademend vermogen van AND, waardoor de opbouw van zweet onder de detectoren wordt voorkomen. Kwantitatieve metingen toonden aan dat de 100 nm AND-films een waterdamptransmissiesnelheid hadden die hoger was dan 90% van de blootstelling aan de open lucht.
Ondertussen vertoonden de haarknuffelende veldeffecttransistoren, met AND-films die tegelijkertijd als poortdiëlektricum en substraat dienden, uitstekende elektronische eigenschappen, zoals werking bij laagspanning tot slechts 4V, mobiliteiten van 40 cm2/Vs en aan/uit-verhoudingen van meer dan 100,000. En ze hebben extreme buigingen doorstaan tot een omtrek kleiner dan een mensenhaar, zonder duidelijke schade of prestatieverlies.
“De ultraflexibele transistors kunnen goed functioneren als ze om menselijk haar worden gewikkeld, zonder dat de prestaties afnemen”, merkt Zhu op.
Zhu beweert dat de meeste bestaande huidelektronica afhankelijk is van niet-standaard nanofabricagetechnieken die te specifiek zijn gemaakt voor grootschalige productie, wat essentieel is voor reguliere medische adoptie. Maar de geschiktheid van AND-films voor conventionele lithografische workflows overwint dit obstakel.
“Onze aanpak op waferschaal maakt massaproductie en integratie met moderne elektronica-fabricagemethoden mogelijk”, legt hij uit.
Hoewel er nog meer werk moet worden verricht voordat patiënten kunnen profiteren van de vooruitgang die flexibele elektronica belooft, slaat Zhu een toon van gematigd optimisme aan.
“We voorzien dat aramide nanodiëlektrica de volgende generatie geminiaturiseerde medische apparaten en bionica zullen transformeren”, zegt hij. “Het overbrengen van deze technologie van het domein van science fiction naar de klinische realiteit zou een diepgaande impact kunnen hebben op de menselijke gezondheid.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64467.php
