Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Grafen lavet med lasere til bærbare sundhedsudstyr

Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Karriereudviklingsprofessor i Penn State's Department of Engineering Science and Mechanics, fører forskning i fleksible grafenenheder lavet med lasere, som den bærbare tryksensor vist her. Kredit:Huanyu Cheng

grafen, hexagonalt arrangerede carbonatomer i et enkelt lag med overlegen bøjelighed og høj ledningsevne, kunne fremme fleksibel elektronik ifølge et Penn State-ledet internationalt forskerhold. Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Karriereudviklingsprofessor i Penn State's Department of Engineering Science and Mechanics (ESM), leder samarbejdet, som for nylig offentliggjorde to undersøgelser, der kunne informere forskning og udvikling af fremtidig bevægelsesdetektion, udstyr til taktile sansning og helbredsovervågning.

Undersøgelse af, hvordan laserbehandling påvirker grafen form og funktion

Flere stoffer kan omdannes til kulstof for at skabe grafen gennem laserstråling. Kaldet laser-induceret grafen (LIG), det resulterende produkt kan have specifikke egenskaber bestemt af det originale materiale. Holdet testede denne proces og offentliggjorde deres resultater i SCIENCE KINA Teknologiske Videnskaber .

Prøver af polyimid, en type plastik, blev bestrålet gennem laserscanning. Forskerne varierede kraften, scanningshastighed, antal gennemløb og tæthed af scanningslinjer.

"Vi ønskede at se på, hvordan forskellige parametre i laserbehandlingsprocessen skaber forskellige nanostrukturer, "Cheng sagde. "Varing af kraften gjorde det muligt for os at skabe LIG enten i en fiber- eller skumstruktur."

Forskerne fandt ud af, at lavere effektniveauer, fra 7,2 watt til ca. 9 watt, resulterede i dannelsen af ​​et porøst skum med mange ultrafine lag. Dette LIG-skum udviste elektrisk ledningsevne og en rimelig modstand mod varmeskader - begge egenskaber, der er nyttige i komponenter af elektroniske enheder.

Forøgelse af effekten fra cirka 9 watt til 12,6 watt ændrede LIG-dannelsesmønsteret fra skum til bundter af små fibre. Disse bundter blev større i diameter med øget lasereffekt, mens højere effekt fremmede den web-lignende vækst af et fibernet. Den fibrøse struktur viste bedre elektrisk ledningsevne end skummet. Ifølge Cheng, denne øgede ydeevne kombineret med fiberens form kunne åbne muligheder for sensorenheder.

"Generelt, dette er en ledende ramme, vi kan bruge til at konstruere andre komponenter, " sagde Cheng. "Så længe fiberen er ledende, vi kan bruge det som et stillads og lave en masse efterfølgende ændringer på overfladen for at aktivere en række sensorer, såsom en glukosesensor på huden eller en infektionsdetektor til sår."

Variering af laserscanningshastigheden, tæthed og gennemløb for LIG dannet ved forskellige kræfter påvirkede også ledningsevnen og efterfølgende ydeevne. Mere lasereksponering resulterede i højere ledningsevne, men faldt til sidst på grund af overskydende karbonisering fra afbrænding.

Demonstrerer en billig LIG-sensor

Ved at bruge den tidligere undersøgelse som grundlag, Cheng og teamet satte sig for at designe, fremstille og teste en fleksibel LIG tryksensor. De rapporterede deres resultater i SCIENCE KINA Teknologiske Videnskaber .

"Tryksensorer er meget vigtige, " sagde Cheng. "Vi kan bruge dem ikke kun i husholdninger og fremstilling, men også på hudoverfladen til at måle mange signaler fra den menneskelige krop, ligesom pulsen. De kan også bruges ved menneske-maskine-grænsefladen til at forbedre ydeevnen af ​​protetiske lemmer eller overvåge deres fastgørelsespunkter."

Holdet testede to designs. For det første, de lagde et tyndt LIG-skumlag mellem to polyimidlag indeholdende kobberelektroder. Når der blev påført tryk, LIG genererede elektricitet. Hulrummene i skummet reducerede antallet af veje, hvor elektricitet kunne rejse, gør det lettere at lokalisere trykkilden, og så ud til at forbedre følsomheden over for sarte berøringer.

Dette første design, når den er fastgjort til bagsiden af ​​hånden eller fingeren, detekterede bøjnings- og strækkehåndsbevægelser – såvel som den karakteristiske percussion, tidevands- og diastoliske bølger af hjerteslag. Ifølge Cheng, denne pulsaflæsning kunne kombineres med en elektrokardiogramaflæsning for at give blodtryksmålinger uden manchet.

I det andet design, forskerne inkorporerede nanopartikler i LIG-skummet. Disse små kugler af molybdændisulfid, en halvleder, der kan fungere som en leder og en isolator, forbedret skummets følsomhed og modstandsdygtighed over for fysiske kræfter. Dette design var også modstandsdygtigt over for gentagen brug, viser næsten identisk præstation før og efter næsten 10, 000 anvendelser.

Begge designs var omkostningseffektive og gav mulighed for enkel dataindsamling, ifølge Cheng.

Forskerne planlægger at fortsætte med at udforske designerne som selvstændige enheder til sundhedsovervågning eller i tandem med andet eksisterende udstyr.


Varme artikler