Man mano che i sensori indossabili diventano più diffusi, diventa sempre più cruciale la necessità di un materiale resistente ai danni da stress e sollecitazioni del movimento naturale del corpo umano. A quello scopo, i ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno sviluppato un metodo per adottare architetture kirigami per aiutare i materiali a diventare più tolleranti alle sollecitazioni e più adattabili al movimento.

Simile all'origami, la più nota arte di piegare la carta, kirigami comporta il taglio oltre alla piegatura. Il team guidato da SungWoo Nam, professore associato di Scienze e Ingegneria Meccanica, e Keong Yong hanno applicato con successo le architetture kirigami al grafene, un materiale ultrasottile, per creare sensori adatti a dispositivi indossabili.

"Per ottenere i migliori risultati di rilevamento, non vuoi che il tuo movimento generi ulteriori uscite di segnale, " Nam ha osservato. "Usiamo tagli kirigami per fornire un'elasticità oltre la normale deformabilità di un materiale. Questo particolare design è molto efficace nel disaccoppiare gli artefatti di movimento dai segnali desiderati."

Per ottenere quei risultati, il team di ricerca è stato in grado di eseguire una serie di simulazioni collaborando con Narayana Aluru, professore di Scienze e Ingegneria Meccanica, e sviluppando software online su un nodo di nanoproduzione, il primo del suo genere ad essere sviluppato. La piattaforma software online consente ai ricercatori di eseguire simulazioni prima di creare dispositivi o piattaforme reali.

Una volta che il team ha elaborato un progetto che ha funzionato bene nella simulazione, era ora di metterlo alla prova. Il grafene sembrava un materiale promettente perché poteva resistere a deformazioni e rotture significative rispetto ai metalli e ad altri materiali convenzionali. Poiché il grafene è un materiale atomicamente sottile, il team di ricerca è stato in grado di incapsulare lo strato di grafene tra due strati di poliimmide (lo stesso materiale utilizzato per proteggere gli smartphone pieghevoli). Una volta creato il "sandwich", hanno poi progettato tagli kirigami per migliorare l'elasticità del materiale.

"Poiché il grafene è sensibile ai cambiamenti esterni, ma anche un conduttore semimetallico flessibile, le persone sono molto interessate a creare sensori da esso, " Disse Nam. "Questa sensibilità è adatta per rilevare ciò che ti circonda, come i livelli di glucosio o di ioni nel sudore".

Il team ha scoperto che l'adozione di un'architettura kirigami ha reso il grafene non solo estensibile, ma ma anche insensibile alla deformazione e privo di artefatti da movimento, il che significa che anche se era deformato, non c'è stato alcun cambiamento nello stato elettrico. Nello specifico, hanno scoperto che gli elettrodi di grafene mostravano un'insensibilità alla deformazione fino al 240 percento di deformazione uniassiale, o 720 gradi di torsione.

Hanno pubblicato i risultati del loro studio in Materiali oggi .

"La cosa interessante del kirigami è che quando lo allunghi, crei un'inclinazione fuori dal piano, " Disse Nam. "È così che la struttura può sopportare deformazioni così grandi".

Nel loro disegno, i ricercatori hanno posizionato l'elemento sensibile attivo su un'"isola" tra due "ponti" realizzati in kirigami grafene. Mentre il grafene non ha perso alcun segnale elettrico nonostante la flessione e l'inclinazione, ha ancora preso il carico dallo stiramento e dallo sforzo, consentendo all'elemento sensibile attivo di rimanere connesso alla superficie. Come tale, kirigami ha la capacità unica di ridistribuire le concentrazioni di stress, ottenendo così attributi meccanici direzionali migliorati.

Mentre il team di ricerca ha dimostrato con successo il metodo di base, stanno già lavorando al miglioramento della versione 2.0 con la possibilità di commercializzare eventualmente la tecnologia.

Il team ha anche ottenuto risultati positivi utilizzando il polidimetilsilossano (PDMS) come strati sandwich e ritiene che, oltre al grafene, il progetto potrebbe estendersi anche ad altri materiali atomicamente sottili come i dicalcogenuri di metalli di transizione.