Ingeniører udvikler en plastelektrode, der strækker sig som gummi, men bærer elektricitet som ledninger

Hjernen er blød og elektronikken er stiv, hvilket kan gøre kombinationen af ​​de to udfordrende, såsom når neuroforskere implanterer elektroder for at måle hjernens aktivitet og måske levere små stød af elektricitet til smertelindring eller andre formål.

Kemisk ingeniør Zhenan Bao forsøger at ændre det. I mere end et årti har hendes laboratorium har arbejdet på at gøre elektronik blød og fleksibel, så de føles og fungerer næsten som en anden hud. Langs vejen, teamet er begyndt at fokusere på at gøre sprød plast, der kan lede elektricitet mere elastisk.

Nu ind Videnskab fremskridt , Baos team beskriver, hvordan de tog en sådan sprød plast og ændrede den kemisk for at gøre den lige så bøjelig som et gummibånd, samtidig med at dens elektriske ledningsevne forbedres en smule. Resultatet er en blød, fleksibel elektrode, der er kompatibel med vores smidige og følsomme nerver.

"Denne fleksible elektrode åbner op for mange nye, spændende muligheder på vejen til hjernegrænseflader og anden implanterbar elektronik, "sagde Bao, professor i kemiteknik. "Her, vi har et nyt materiale med kompromisløs elektrisk ydelse og høj strækbarhed. "

Materialet er stadig en laboratorieprototype, men teamet håber at udvikle det som en del af deres langsigtede fokus på at skabe fleksible materialer, der er i kontakt med menneskekroppen.

Fleksibel grænseflade

Elektroder er grundlæggende for elektronik. Ledning af elektricitet, disse ledninger bærer frem og tilbage signaler, der tillader forskellige komponenter i en enhed at arbejde sammen. I vores hjerner, særlige trådlignende fibre kaldet axoner spiller en lignende rolle, transmitterer elektriske impulser mellem neuroner. Baos strækbare plast er designet til at skabe en mere problemfri forbindelse mellem den stive verden af ​​elektronik og de fleksible organiske elektroder i vores kroppe.

"En ting om den menneskelige hjerne, som mange mennesker ikke ved, er, at den ændrer lydstyrke i løbet af dagen, "siger postdoktorforsker Yue Wang, den første forfatter på papiret. "Det svulmer og svulmer." Den nuværende generation af elektroniske implantater kan ikke strække sig og trække sig sammen med hjernen og gøre det kompliceret at opretholde en god forbindelse.

"Hvis vi har en elektrode med en lignende blødhed som hjernen, det vil danne en bedre grænseflade, "sagde Wang.

For at oprette denne fleksible elektrode, forskerne begyndte med en plastik, der havde to væsentlige kvaliteter:høj ledningsevne og biokompatibilitet, hvilket betyder, at det sikkert kunne bringes i kontakt med menneskekroppen. Men denne plast havde en mangel:Den var meget sprød. At strække det selv 5 procent ville bryde det.

Stramt såret og skørt

Da Bao og hendes team forsøgte at bevare ledningsevnen, samtidig med at de tilføjede fleksibilitet, de arbejdede sammen med forskere på SLAC National Accelerator Laboratory for at bruge en særlig type røntgen til at studere dette materiale på molekylært niveau. Al plast er polymerer; det er, kæder af molekyler spændt sammen som perler. Plasten i dette eksperiment bestod faktisk af to forskellige polymerer, der var tæt viklet sammen. Den ene var den elektriske leder. Den anden polymer var afgørende for fremstillingen af ​​plasten. Når disse to polymerer kombinerede, skabte de en plastik, der var som en streng af sprød, kugellignende strukturer. Det var ledende, men ikke fleksibel.

Forskerne antog, at hvis de kunne finde det rigtige molekylære additiv til at adskille disse to stramt sårede polymerer, de kunne forhindre denne krystallisation og give plastikken mere stræk. Men de måtte være forsigtige - tilføjelse af materiale til en leder svækker normalt sin evne til at transmittere elektriske signaler.

Efter at have testet mere end 20 forskellige molekylære tilsætningsstoffer, de fandt endelig en, der gjorde tricket. Det var et molekyle, der lignede den slags tilsætningsstoffer, der bruges til at tykne supper i industrikøkkener. Dette tilsætningsstof forvandlede plastikkens klumpede og sprøde molekylstruktur til et fiskenetmønster med huller i trådene for at give materialet mulighed for at strække og deformere. Da de testede deres nye materiales elasticitet, de var glade for at opdage, at det blev lidt mere ledende, når det blev strakt til det dobbelte af dets oprindelige længde. Plasten forblev meget ledende, selv når den strakte 800 procent sin oprindelige længde.

"Vi tænkte, at hvis vi tilføjer isoleringsmateriale, vi ville få virkelig dårlig ledningsevne, især når vi tilføjede så meget, "sagde Bao. Men takket være deres præcise forståelse af, hvordan man justerer den molekylære samling, forskerne fik det bedste fra begge verdener:den højest mulige ledningsevne for plasten og samtidig omdanne den til et meget robust og elastisk stof.

"Ved at forstå interaktionen på molekylært niveau, vi kan udvikle elektronik, der er blød og elastisk som hud, mens den forbliver ledende, "Siger Wang.