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Nano-membrana altamente conductora y flexible para electrónica de la piel

(a) La fabricación comienza con la inyección de la solución de nanocompuestos en el agua. La solución constaba de nanomateriales (NW), una goma insoluble en agua (SEBS) disuelta en un disolvente inmiscible en agua (tolueno) y etanol. (b) La masa de la solución de nanocompuestos se difunde a lo largo de la superficie del agua debido al flujo marangial, lo que conduce a la agregación de una monocapa de NW. (c) La solución de compuesto combinado cubre toda la superficie del agua después del proceso de inyección de la solución. (D) Se agregan unas gotas de surfactante en el centro. (e) El tensioactivo empuja la masa (es decir, NW, elastómeros y disolvente) hacia afuera. El solvente pronto se evapora a temperatura ambiente. (F) Se deja en agua una monocapa de NW parcialmente ensamblados en una matriz de elastómero ultrafina. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas

Los dispositivos electrónicos de la piel son dispositivos electrónicos delgados y flexibles que se pueden unir a la piel. Si bien puede parecer algo salido de la ciencia ficción, se espera que estos dispositivos pronto funcionen en una amplia gama de aplicaciones, como monitoreo de salud, diagnóstico de salud, realidad virtual e interfaz hombre-máquina.


La creación de tales dispositivos requiere componentes suaves y estirables para que sean mecánicamente compatibles con la piel humana. Un componente vital de la electrónica de la piel es un conductor central extensible que transmite señales eléctricas entre dispositivos. Para un funcionamiento confiable y un rendimiento de alta calidad, se requiere un conector expandible con un grosor ultrafino, conductividad similar al metal, alta extensibilidad y facilidad de patrón. A pesar de una extensa investigación, todavía no ha sido posible desarrollar un material que posea todas estas propiedades simultáneamente, debido al hecho de que a menudo tienen compensaciones entre sí.

Dirigidos por el profesor Hyun Tae-gwan y Kim Dae-hyung, los investigadores del Centro de Investigación de Nanopartículas del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en Seúl, Corea del Sur, han revelado un nuevo método para fabricar un material compuesto con forma de nanomembrana, que viene con todas las propiedades anteriores. El nuevo material compuesto consta de cable metálico Empaquetado herméticamente en una monocapa dentro de una película elástica ultrafina.

Video completo que explica el proceso de ensamblaje del flotador para la fabricación de una nanomembrana altamente conductora y flexible. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas

Este nuevo material se fabricó mediante un proceso que el equipo desarrolló llamado “método de ensamblaje flotante”. El grupo flotante aprovecha el efecto Marangoni, que se produce en dos fases líquidas con diferentes tensiones superficiales. Cuando hay una caída en la tensión superficial, se genera un flujo Marangoni que se aleja de la región de tensión superficial baja hacia la región de tensión superficial más alta. Esto significa que dejar caer un líquido con una tensión superficial baja en A Superficie del agua La tensión superficial disminuye localmente y el flujo de marangone resultante hace que el líquido que cae se esparza finamente por la superficie del agua.

La nanomembrana se genera utilizando el método de ensamblaje de sobrenadante que consiste en un proceso de tres pasos. El primer paso consiste en dejar caer una solución del compuesto, que es una mezcla de nanocables metálicos y caucho disuelto en tolueno y etanol, sobre la superficie del agua. La fase de caucho del tolueno permanece por encima del agua debido a sus propiedades hidrófobas, mientras que los nanocables terminan en la interfaz entre las fases de agua y tolueno. El etanol dentro de la solución se mezcla con agua para bajar el nivel local. superficie tensión, que genera un flujo Marangoni que se extiende hacia afuera y evita que el nanoalambre se acumule. Esto hace que los nanomateriales se ensamblen en una monocapa en la interfaz entre ellos. Agua y una fina capa de caucho / disolvente. En un segundo paso, se deja caer el surfactante para generar una segunda ola de flujo Marangoni que presiona firmemente los nanocables. Finalmente, en el tercer paso, se evapora el tolueno y se obtiene una nanofilm con una estructura única en la que se incorpora parcialmente una monocapa de nanocables muy comprimida en una película elástica muy fina.

Nano-membrana altamente conductora y flexible para electrónica de la piel

(AD) Imagen de microscopio electrónico de barrido de NW ensamblados y fijados en la capa de elastómero ultrafina. (EM) La gran flexibilidad de una nanomembrana independiente para estados nativos y estirados bajo una tensión del 250% y una tensión del 500%. La tensión aplicada se disipa principalmente por la capa de elastómero, en particular por las áreas de cuña. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas

Su estructura única permite que la tensión se distribuya eficientemente en una película elástica muy fina, lo que da como resultado excelentes propiedades físicas, como una extensibilidad de más del 1000% y un espesor de solo 250 nm. La estructura también permite la soldadura en frío y el apilamiento bicapa de las nanomembranas entre sí, lo que da como resultado una conductividad similar al metal de más de 100.000 S / cm. Además, los investigadores demostraron que la nanomembrana se puede modelar mediante fotolitografía, una tecnología clave ampliamente utilizada para fabricar dispositivos semiconductores comerciales y electrónica avanzada. Por lo tanto, se espera que la nanomembrana sirva como un nuevo material central para la electrónica de la piel.

Las implicaciones de este estudio pueden extenderse más allá del desarrollo de la electrónica de la piel. Si bien este estudio mostró un material compuesto Hecho de plata nanocables Dentro del caucho de estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS), también es posible utilizar el método de ensamblaje de flotabilidad en varios nanomateriales como nanomateriales magnéticos y nanomateriales semiconductores, así como otros tipos de elastómeros como TPU y SIS. Por lo tanto, se espera que el ensamblaje del flotador abra nuevas áreas de investigación que involucren diferentes tipos de nanomembranas con diferentes funciones.

El estudio fue publicado en la revista Ciencias.


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más información:
Hyeon Taeghwan et al., Nano-membrana flexible altamente conductora para electrónica de la piel, Ciencias (2021). DOI: 10.1126 / science.abh4357

La frase: Nano-membrana altamente conductora y elástica para la electrónica de la piel (2021, 26 de agosto) Recuperado el 26 de agosto de 2021 de https://phys.org/news/2021-08-highly-elastic-nanomembrane-skin-electronics.html

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