Grafene, atomi di carbonio disposti esagonali in un unico strato con flessibilità superiore e alta conduttività, potrebbe far progredire l'elettronica flessibile secondo un team di ricerca internazionale guidato dalla Penn State. Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Professore per lo sviluppo della carriera presso il Dipartimento di Ingegneria e Scienza e Meccanica (ESM) di Penn State, dirige la collaborazione, che ha recentemente pubblicato due studi che potrebbero informare la ricerca e lo sviluppo del rilevamento del movimento futuro, sensori tattili e dispositivi di monitoraggio della salute.

Indagare su come la lavorazione laser influenzi la forma e la funzione del grafene

Diverse sostanze possono essere convertite in carbonio per creare grafene attraverso la radiazione laser. Chiamato grafene indotto dal laser (LIG), il prodotto risultante può avere proprietà specifiche determinate dal materiale originale. Il team ha testato questo processo e ha pubblicato i risultati in SCIENZA CINA Scienze Tecnologiche .

Campioni di poliimmide, un tipo di plastica, sono stati irradiati mediante scansione laser. I ricercatori hanno variato la potenza, velocità di scansione, numero di passaggi e densità delle linee di scansione.

"Volevamo esaminare come i diversi parametri del processo di lavorazione laser creano diverse nanostrutture, " Ha detto Cheng. "Variando la potenza ci ha permesso di creare LIG sia in una struttura in fibra che in schiuma."

I ricercatori hanno scoperto che livelli di potenza inferiori, da 7,2 watt a circa 9 watt, ha portato alla formazione di una schiuma porosa con molti strati ultrafini. Questa schiuma LIG ha mostrato conduttività elettrica e una discreta resistenza ai danni da calore, entrambe proprietà utili nei componenti dei dispositivi elettronici.

L'aumento della potenza da circa 9 watt a 12,6 watt ha cambiato il modello di formazione del LIG da schiuma a fasci di piccole fibre. Questi fasci sono cresciuti di diametro maggiore con una maggiore potenza laser, mentre una maggiore potenza ha promosso la crescita simile al web di una rete in fibra. La struttura fibrosa ha mostrato una migliore conduttività elettrica rispetto alla schiuma. Secondo Cheng, questo aumento delle prestazioni combinato con la forma della fibra potrebbe aprire possibilità per i dispositivi di rilevamento.

"Generalmente, questa è una struttura conduttiva che possiamo usare per costruire altri componenti, " Cheng ha detto. "Finché la fibra è conduttiva, possiamo usarlo come impalcatura e fare molte modifiche successive sulla superficie per abilitare una serie di sensori, come un sensore di glucosio sulla pelle o un rilevatore di infezione per le ferite".

Variando la velocità di scansione laser, densità e passaggi per il LIG formati a diverse potenze hanno influenzato anche la conduttività e le prestazioni successive. Una maggiore esposizione al laser ha comportato una maggiore conduttività, ma alla fine cadde a causa dell'eccessiva carbonizzazione dovuta alla combustione.

Dimostrazione di un sensore LIG a basso costo

Utilizzando lo studio precedente come base, Cheng e il team hanno deciso di progettare, fabbricare e testare un sensore di pressione LIG flessibile. Hanno riportato i loro risultati in SCIENZA CINA Scienze Tecnologiche .

"I sensori di pressione sono molto importanti, " Cheng ha detto. "Possiamo usarli non solo nelle famiglie e nella produzione, ma anche sulla superficie della pelle per misurare molti segnali dal corpo umano, come il polso. Possono anche essere utilizzati nell'interfaccia uomo-macchina per migliorare le prestazioni degli arti protesici o monitorare i loro punti di attacco".

Il team ha testato due progetti. Per la prima, hanno inserito un sottile strato di schiuma LIG tra due strati di poliimmide contenenti elettrodi di rame. Quando è stata applicata la pressione, la LIG ha prodotto elettricità. I vuoti nella schiuma hanno ridotto il numero di percorsi per l'elettricità per viaggiare, facilitando la localizzazione della fonte di pressione, e sembrava migliorare la sensibilità ai tocchi delicati.

Questo primo disegno, quando è attaccato al dorso della mano o al dito, rilevato movimenti di flessione e allungamento della mano, nonché la caratteristica percussione, onde di marea e diastolica del battito cardiaco. Secondo Cheng, questa lettura del polso potrebbe essere combinata con una lettura dell'elettrocardiogramma per fornire misurazioni della pressione sanguigna senza bracciale.

Nel secondo disegno, i ricercatori hanno incorporato nanoparticelle nella schiuma LIG. Queste minuscole sfere di bisolfuro di molibdeno, un semiconduttore che può fungere da conduttore e da isolante, ha migliorato la sensibilità della schiuma e la resistenza alle forze fisiche. Questo design era anche resistente all'uso ripetuto, mostrando prestazioni quasi identiche prima e dopo quasi 10, 000 usi.

Entrambi i progetti erano convenienti e consentivano una semplice acquisizione dei dati, secondo Cheng.

I ricercatori intendono continuare a esplorare i progetti come dispositivi autonomi per il monitoraggio della salute o in tandem con altre apparecchiature esistenti.