Gli scienziati della NTU Singapore hanno sviluppato fibre semiconduttrici ultrasottili che possono essere intrecciate in tessuti, trasformandoli in dispositivi elettronici indossabili intelligenti. Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista Nature .
Per creare fibre semiconduttrici che funzionino in modo affidabile, devono essere flessibili e prive di difetti per una trasmissione stabile del segnale. Tuttavia, i metodi di produzione esistenti causano stress e instabilità, portando a crepe e deformità nei nuclei dei semiconduttori, incidendo negativamente sulle loro prestazioni e limitandone lo sviluppo.
Gli scienziati della NTU hanno condotto modelli e simulazioni per comprendere come si verificano stress e instabilità durante il processo di produzione. Hanno scoperto che la sfida poteva essere superata attraverso un'attenta selezione dei materiali e una serie specifica di passaggi durante la produzione della fibra.
Hanno sviluppato un progetto meccanico e hanno fabbricato con successo fibre sottilissime e prive di difetti che si estendono per 100 metri, il che indica la sua scalabilità sul mercato. È importante sottolineare che le nuove fibre possono essere tessute nei tessuti utilizzando i metodi esistenti.
Per dimostrare l'elevata qualità e funzionalità delle loro fibre, il team di ricerca della NTU ha sviluppato dei prototipi. Questi includevano un berretto intelligente per aiutare una persona non vedente ad attraversare la strada in sicurezza ricevendo avvisi su un'applicazione per telefono cellulare; una maglietta che riceve informazioni e le trasmette attraverso un auricolare, come un'audioguida museale; e uno smartwatch con cinturino che funziona come un sensore flessibile che si adatta al polso degli utenti per la misurazione della frequenza cardiaca anche durante l'attività fisica.
Il team ritiene che la loro innovazione rappresenti un passo avanti fondamentale nello sviluppo di fibre semiconduttrici ultra lunghe e durevoli, il che significa che sono economiche e scalabili e offrono allo stesso tempo eccellenti prestazioni elettriche e optoelettroniche (il che significa che possono rilevare, trasmettere e interagire con la luce) prestazioni.
Wei Lei, professore associato della NTU presso la Scuola di ingegneria elettrica ed elettronica (EEE) e ricercatore principale dello studio, ha affermato:"Il successo della fabbricazione delle nostre fibre semiconduttrici di alta qualità è dovuto alla natura interdisciplinare del nostro team.
"La fabbricazione di fibre di semiconduttori è un processo estremamente complesso, che richiede il know-how di esperti di scienza dei materiali, ingegneria meccanica ed ingegneria elettrica nelle diverse fasi dello studio.
"Lo sforzo collaborativo del team ci ha permesso di comprendere chiaramente i meccanismi coinvolti, il che alla fine ci ha aiutato ad aprire la porta a fili privi di difetti, superando una sfida di lunga data nella tecnologia delle fibre."
Per sviluppare le fibre prive di difetti, il team guidato da NTU ha selezionato coppie di materiali semiconduttori comuni e materiale sintetico:un nucleo semiconduttore in silicio con un tubo di vetro di silice e un nucleo di germanio con un tubo di vetro di alluminosilicato. I materiali sono stati selezionati in base alle loro caratteristiche che si completavano a vicenda.
Questi includevano la stabilità termica, la conduttività elettrica e la capacità di consentire il flusso di corrente elettrica (resistività).
Il silicio è stato selezionato per la sua capacità di essere riscaldato a temperature elevate e manipolato senza degradarsi e per la sua capacità di funzionare nella gamma della luce visibile, rendendolo ideale per l'uso in dispositivi destinati a condizioni estreme, come i sensori sugli indumenti protettivi per i vigili del fuoco.
Il germanio, d'altro canto, consente agli elettroni di muoversi rapidamente attraverso la fibra (mobilità del portatore) e di lavorare nella gamma degli infrarossi, il che lo rende adatto per applicazioni in sensori indossabili o basati su tessuto (ad esempio tende, tovaglie) compatibili con reti ottiche wireless indoor Light fidelity ("LiFi").
Successivamente, gli scienziati hanno inserito il materiale semiconduttore (nucleo) all'interno del tubo di vetro, riscaldandolo ad alta temperatura finché il tubo e il nucleo non erano abbastanza morbidi da poter essere tirati in un sottile filo continuo (vedi immagine sotto).
A causa dei diversi punti di fusione e dei tassi di espansione termica dei materiali selezionati, il vetro ha funzionato come una bottiglia di vino durante il processo di riscaldamento, contenente il materiale semiconduttore che, come il vino, riempie la bottiglia, mentre si scioglie.
Il primo autore dello studio, il dottor Wang Zhixun, ricercatore presso la School of EEE, ha dichiarato:"Ci sono volute analisi approfondite prima di arrivare alla giusta combinazione di materiali e processi per sviluppare le nostre fibre. Sfruttando i diversi punti di fusione e i tassi di espansione termica dei materiali scelti, abbiamo inserito con successo i materiali semiconduttori in lunghi fili mentre entravano e uscivano dal forno di riscaldamento evitando difetti."
Il vetro viene rimosso una volta che il filo si raffredda e combinato con un tubo polimerico e fili metallici. Dopo un altro ciclo di riscaldamento, i materiali vengono tirati per formare un filo flessibile e sottile come un capello.
Negli esperimenti di laboratorio, le fibre semiconduttrici hanno mostrato prestazioni eccellenti. Se sottoposte a test di reattività, le fibre sono in grado di rilevare l'intera gamma della luce visibile, dall'ultravioletto all'infrarosso, e trasmettere segnali con larghezza di banda fino a 350 kilohertz (kHz), rendendola una delle migliori prestazioni nel suo genere. Inoltre, le fibre erano 30 volte più resistenti di quelle normali.
È stata valutata anche la lavabilità delle fibre, in cui un panno tessuto con fibre semiconduttrici è stato lavato in lavatrice 10 volte e i risultati non hanno mostrato un calo significativo delle prestazioni delle fibre.
Il co-investigatore principale, l'illustre professore universitario Gao Huajian, che ha completato lo studio mentre era alla NTU, ha dichiarato:"Il silicio e il germanio sono due semiconduttori ampiamente utilizzati che di solito sono considerati altamente fragili e soggetti a fratture.
"La fabbricazione di fibre semiconduttrici ultra lunghe dimostra la possibilità e la fattibilità di realizzare componenti flessibili utilizzando silicio e germanio, fornendo ampio spazio per lo sviluppo di dispositivi indossabili flessibili di varie forme.
"Successivamente, il nostro team lavorerà in modo collaborativo per applicare il metodo di produzione delle fibre ad altri materiali impegnativi e per scoprire ulteriori scenari in cui le fibre svolgono un ruolo chiave."
La compatibilità con i metodi di produzione del settore suggerisce una facile adozione
Per dimostrare la fattibilità dell'uso nelle applicazioni della vita reale, il team ha costruito dispositivi elettronici indossabili intelligenti utilizzando le fibre semiconduttrici di nuova creazione. Questi includono un berretto, un maglione e un orologio in grado di rilevare ed elaborare i segnali.
Per creare un dispositivo che assista i non vedenti nell'attraversamento di strade trafficate, il team NTU ha intrecciato le fibre in un berretto, insieme a una scheda di interfaccia. Durante i test sperimentali all'aperto, i segnali luminosi ricevuti dal berretto sono stati inviati a un'applicazione per telefoni cellulari, attivando un avviso.
Una maglietta tessuta con le fibre, nel frattempo, funzionava come un "top intelligente", che poteva essere indossato in un museo o in una galleria d'arte per ricevere informazioni sulle mostre e inserirle in un auricolare mentre chi lo indossava camminava per le stanze.
Uno smartwatch con un cinturino integrato nelle fibre funzionava come un sensore flessibile e conforme per misurare la frequenza cardiaca, a differenza dei design tradizionali in cui un sensore rigido è installato sul corpo dello smartwatch, che potrebbe non essere affidabile in circostanze in cui gli utenti sono molto attivo e il sensore non è a contatto con la pelle.
Inoltre, le fibre hanno sostituito i sensori ingombranti nel corpo dello smartwatch, risparmiando spazio e offrendo opportunità di progettazione per orologi più sottili.
Il coautore Dr. Li Dong, ricercatore presso la Scuola di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, ha affermato:"Il nostro metodo di fabbricazione della fibra è versatile e facilmente adottabile dall'industria. La fibra è anche compatibile con gli attuali macchinari dell'industria tessile, il che significa che ha la potenziale per la produzione su larga scala.
"Dimostrando l'uso delle fibre in oggetti indossabili tutti i giorni come un berretto e un orologio, dimostriamo che i risultati della nostra ricerca possono servire da guida per la creazione di fibre semiconduttrici funzionali in futuro."
Per i prossimi passi, i ricercatori stanno pianificando di espandere i tipi di materiali utilizzati per le fibre e di creare semiconduttori con diversi nuclei cavi, come forme rettangolari e triangolari, per espandere le loro applicazioni.
Ulteriori informazioni: Zhixun Wang et al, Fibre semiconduttrici di alta qualità tramite progettazione meccanica, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06946-0
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito da Nanyang Technological University
