I polimeri di nuova generazione sviluppati in laboratorio devono diventare elastici e autorigeneranti per formare nuovi dispositivi sensoriali simili alla pelle per soddisfare le esigenze delle applicazioni futuristiche della pelle elettronica. Sebbene i ricercatori abbiano compiuto notevoli progressi nei materiali elettronici ispirati alla pelle, è difficile includere le funzioni desiderate in un semiconduttore attivo per migliorare il rilevamento. In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Jin Young Oh e un team di ricerca interdisciplinare nei dipartimenti di ingegneria chimica, ricerca biomedica, Ingegnere elettrico, Scienza dei materiali e ingegneria meccanica negli Stati Uniti e in Corea del Sud, sviluppato un ceppo sensibile, film semiconduttore estensibile e auto-rigenerante.

Hanno progettato il nuovo materiale mescolando un semiconduttore polimerico e un elastomero autorigenerante, reticolato dinamicamente mediante legami di coordinazione metallici. Young Oh et al. controllato la soglia di percolazione del semiconduttore polimerico per formare un film sensibile alla deformazione con un fattore di gauge di 5,75 x 10 ⁵ al 100% di deformazione durante la transizione estensibile. Il film composito era altamente estensibile con una deformazione della frattura superiore al 1300% con un'autoguarigione autonoma dimostrata a temperatura ambiente. Il team di ricerca ha quindi sviluppato un array di sensori a transistor a matrice attiva estensibile integrato cinque per cinque (pelle elettronica) per rilevare la distribuzione della deformazione durante la deformazione della superficie.

I progressi nei materiali e nei dispositivi elettronici elastici hanno permesso agli scienziati di imitare le proprietà di autoguarigione della pelle umana e accelerare lo sviluppo di dispositivi ispirati alla pelle, robot morbidi e dispositivi biomedici. Gli scienziati dei materiali possono integrare moduli di rilevamento rigidi in una piattaforma ultrasottile con progetti di ingegneria della deformazione per costruire superfici tramite la stampa a trasferimento. I materiali bioispirati possono anche essere creati con una maggiore sensibilità e compatibilità per l'impianto nel corpo umano. Accanto alla modulazione degli stimoli meccanici per rappresentare la funzione elettronica della pelle (e-skin) per le funzioni sensoriali biomimetiche della pelle umana.

I sensori basati su array di transistor a matrice attiva possono fornire segnali di rilevamento di alta qualità con diafonia ridotta tra i singoli pixel, dove ogni pixel contiene un sensore collegato a un transistor. I ricercatori avevano precedentemente utilizzato l'ingegneria della deformazione per incorporare sensori e transistor rigidi in estensibili, sistemi biomimetici per assistere i pazienti con disturbi del movimento. Eliminare il disallineamento meccanico tra componenti rigidi e morbidi; i sensori ei transistor devono essere intrinsecamente estensibili. Un transistor a rilevamento di deformazione può semplificare il processo di fabbricazione per migliorare la robustezza meccanica e la conformabilità. Una capacità aggiuntiva di auto-guarigione può aumentare i benefici dell'e-skin per garantire una durata maggiore.

Nel presente lavoro, Young Oh et al. ha presentato un film semiconduttore intrinsecamente estensibile e autorigenerante con comportamento elettrico sensibile alla deformazione incluso in un transistor estensibile. Hanno fuso due materiali per formare un film semiconduttore mescolando un semiconduttore polimerico e un elastomero isolante per dimostrare la nuova proprietà. Quando hanno rotto i legami di coordinazione metallici del materiale fuso, il costrutto potrebbe ricostruire spontaneamente per trasferire estensibile, difficile, proprietà autorigeneranti del fragile film semiconduttore.

L'elastomero nel film miscelato ha mantenuto un basso modulo per assorbire la sollecitazione meccanica esterna per progettare un materiale elettronico multifunzionale. Gli scienziati hanno quindi fabbricato un array di transistor sensoriali a matrice attiva estensibile, dove hanno integrato il film semiconduttore, elettrodo dielettrico e interconnessione mediante un processo di stampa a trasferimento. L'interfaccia semiconduttore/dielettrico dell'array di sensori era impermeabile, anche dopo il contatto con il sudore artificiale per 15 ore. Young Oh et al. immaginare che il ceppo-sensibile, semiconduttore estensibile e autorigenerante cambierà lo standard di e-skin per applicazioni estese.

Il team ha progettato un materiale semiconduttore composito come sviluppato in precedenza dallo stesso gruppo di ricerca. In questo lavoro, hanno abbreviato il nuovo composito DPP-TVT-PDCA; dove hanno mescolato poli(3, 6-di(tiofen-2-il)dichetopirrolo[3, 4-c]pirrolo-1, 4-dione-alt-1, 2-ditieniletene) con 10 moli percento 2, Frazioni 6-piridinedicarbossamina (PDCA).

Hanno quindi combinato PDCA con poli(dimetilsilossano-alt-2, 6-piridinedicarbozamina) per formare il polimero PDMS-PDCA. Il polimero PDCA forma complessi di coordinazione metallo-ligando (Fe(III)-PDCA) con molteplici legami dinamici e tre diverse forze di legame per facilitare la reticolazione dinamica, elasticità intrinseca e potenziale di autoguarigione. Gli scienziati hanno dimostrato il legame del ligando Fe(III)PDCA con PDMS-PDCA e DPP-TVT-PDCA nel film di miscela.

Hanno ottimizzato la mobilità dell'effetto di campo sul film semiconduttore (DPP-TVT-PDCA) introducendo rapporti variabili di un elastomero (PDMS-PDCA-Fe) per formare un film di miscela con un rapporto di peso ottimizzato. Il polimero semiconduttore risultante ha mantenuto una ragionevole mobilità dei portatori di carica e ha formato percorsi di percolazione elettrici sufficienti. Il film di miscela ha mantenuto un'elevata allungabilità, Rapporto di Poisson e modulo di Young simili alla pelle umana e migliori dei tipici polimeri semiconduttori. L'analisi reologica del film di miscela a temperatura ambiente ha mostrato che il materiale si comporta in modo simile a un solido con reticolazione di coordinazione metallo-ione. La temperatura di transizione vetrosa del materiale era simile alla tipica gomma PDMS.

Hanno testato l'elasticità del film utilizzando test ciclici di deformazione ripetuti, e ha accreditato la dissipazione di energia osservata alla rottura del legame di coordinazione Fe(III)-PDCA durante il rilassamento da stress. Anche dopo aver allungato il film di miscela oltre il 100% di deformazione, ha recuperato alla sua lunghezza iniziale dopo un'ora di riposo a causa della riorganizzazione delle catene polimeriche. Il team ha caratterizzato la morfologia e la percolazione elettrica del film di miscela utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione. Segue mappatura degli elementi del materiale utilizzando la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia per identificare lo zolfo (S), picchi di silicio (Si) e ferro (Fe). I risultati hanno indicato un'elevata sensibilità del materiale alla deformazione, dove l'elastomero ha assorbito la deformazione applicata mantenendo la regione cristallina del film semiconduttore, per abilitare il meccanismo di stiramento proposto del film di miscela.

Il team di ricerca ha testato il trasporto di carica sensibile alla deformazione del film semiconduttore utilizzando transistor a film sottile organico (OTFT) tramite stampa a trasferimento. Non hanno rilevato alcuna nanocricca nel film trasferito utilizzando la microscopia a forza atomica (AFM) per eliminare la possibilità di danni meccanici dovuti alla deformazione. Gli scienziati hanno poi evaporato l'oro, un materiale per elettrodi, sul film di miscela e ho osservato che la corrente del transistor diminuire all'aumentare della deformazione percentuale. Il fattore di misura era più alto a 5,7 x 10 ⁵ al 100% di sforzo, che era il valore più alto riportato per gli estensimetri a semiconduttore, e comparabile con lo stato dell'arte, estensimetri basati su conduttori. I dispositivi hanno mostrato un carattere corrente-tensione completamente reversibile e un comportamento ciclico ripetibile, simile all'elasticità della pelle umana.

Young Oh et al. ottenuto l'esclusiva caratteristica di autoguarigione dell'e-skin attraverso il legame dinamico di coordinazione metallo-ligando. Per testare la capacità di autoguarigione, tagliano il materiale (200 nm di spessore) a temperatura ambiente, lasciato per 24 ore e osservato la cicatrice scomparire autonomamente. Il film guarito potrebbe essere allungato a oltre il 200 percento di tensione prima della frattura. Quando hanno testato la proprietà elettrica del film semiconduttore guarito utilizzando un metodo a contatto morbido in OTFT, hanno recuperato la mobilità ad effetto di campo del materiale guarito. Comparativamente, tagliare un materiale semiconduttore senza proprietà di autoriparazione non ha mantenuto un comportamento corrente-tensione simile a un transistor.

Per consentire il materiale semiconduttore di nuova concezione per applicazioni e-skin, Young Oh et al. fabbricato un cinque per cinque completamente estensibile, array di transistor a matrice attiva sensibili alla deformazione. Per questo, hanno costruito un'interconnessione altamente estensibile e conduttiva utilizzando un elettrodo in oro estensibile altamente conduttivo (Au) e un elastomero di polistirene per scansioni multiple ad alta velocità senza ritardo o perdita di segnale all'interno dell'architettura a matrice attiva. Per confermare l'affidabilità meccanica dell'elettrodo, hanno completato test ciclici ripetuti fino a 100 cicli con una sollecitazione del 50% e ottenuto prestazioni superiori. Il dispositivo ha mostrato operazioni di rilevamento della deformazione reversibili per ripristinare completamente lo stato originale dopo aver rilasciato la deformazione.

Per le applicazioni e-skin dell'array di sensori di deformazione estensibile, gli scienziati hanno abbassato la tensione operativa del dispositivo da -60 a -5 volt per la sostenibilità a lungo termine e la sicurezza medica. Nonostante la bassa tensione di soglia, il dispositivo era sensibile allo sforzo applicato. Le prestazioni di impermeabilità erano una priorità per prevenire malfunzionamenti del dispositivo a contatto con il sudore ionico generato dalla pelle umana; che hanno ottenuto utilizzando un elastomero per passivare l'array di transistor di cinque per cinque sensori contro il sudore, seguito da immersione in sudore artificiale per 15 ore. Il sistema di rilevamento monolitico potrebbe mappare in 3D la deformazione della pelle elettronica in un processo di fabbricazione semplificato, combinando un'architettura di sensori e transistor in un unico dispositivo. I ricercatori hanno "colpito" l'e-skin per quantificare i cambiamenti in corso dell'array di sensori a matrice attiva e hanno simulato la deformazione applicata utilizzando metodi agli elementi finiti.

In questo modo, Jin Young Oh e colleghi hanno presentato un approccio all'ingegneria sensibile alla deformazione, film semiconduttori estensibili e autorigeneranti per formare array di sensori di deformazione a matrice attiva simili alla pelle. La rete composita di materiali ha fornito la sensibilità alla deformazione del film miscelato. La coordinazione del ligando metallico ha permesso al semiconduttore di essere altamente estensibile e di autoripararsi automaticamente a temperatura ambiente. Usando il film semiconduttore, i ricercatori hanno sviluppato una e-skin che ha rilevato la deformazione indotta dalla pressione, insieme alla visualizzazione della deformazione applicata. L'e-skin sintetica era completamente guaribile e in grado di operare entro un voltaggio sicuro dal punto di vista medico, con la possibilità di incorporare materiali dielettrici ad alto k dopo un'ulteriore ottimizzazione.

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