Strækbar, selvhelbredende og halvledende polymerfilm til elektronisk hud (e-skin)

Næste generations polymerer udviklet i laboratoriet skal blive strækbare og selvhelbredende for at danne nye hudlignende sensoriske enheder, der opfylder kravene til futuristiske elektroniske hudapplikationer. Selvom forskere har gjort bemærkelsesværdige fremskridt inden for hudinspirerede elektroniske materialer, det er udfordrende at inkludere ønskede funktioner i en aktiv halvleder for forbedret sansning. I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , Jin Young Oh og et tværfagligt forskerhold i afdelingerne for Kemiteknik, Biomedicinsk forskning, Elektroteknik, Materialevidenskab og maskinteknik i USA og Sydkorea, udviklet en belastningsfølsom, strækbar og autonom selvhelbredende halvlederfilm.

De konstruerede det nye materiale ved at blande en polymer halvleder og selvhelbredende elastomer, dynamisk tværbundet ved hjælp af metalkoordinationsbindinger. Young Oh et al. kontrollerede perkolationstærsklen for polymerhalvlederen for at danne en belastningsfølsom film med en gauge-faktor på 5,75 x 10 ⁵ ved 100 procent belastning under strækbar overgang. Den sammensatte film var meget strækbar med en brudbelastning større end 1300 procent med demonstreret autonom selvhelbredelse ved stuetemperatur. Forskerholdet udviklede derefter en integreret fem-til-fem strækbar aktiv-matrix transistor sensor array (elektronisk hud) til at detektere belastningsfordeling under overfladedeformation.

Fremskridt inden for strækbare elektroniske materialer og enheder har gjort det muligt for forskere at efterligne selvhelbredende egenskaber af menneskelig hud og fremskynde udviklingen af ​​hudinspirerede enheder, bløde robotter og biomedicinsk udstyr. Materialeforskere kan integrere stive sensormoduler i en ultratynd platform med strain-manipulerede designs til at konstruere overflader via transferprint. Bioinspirerede materialer kan også skabes med forbedret følsomhed og kompatibilitet til implantation i den menneskelige krop. Sideløbende med mekanisk stimuli modulering for at repræsentere elektronisk hudfunktion (e-skin) for biomimetiske menneskelige hudsensoriske funktioner.

Active-matrix transistor array-baserede sensorer kan levere højkvalitets sensing signaler med reduceret krydstale mellem individuelle pixels, hvor hver pixel indeholder en sensor forbundet med en transistor. Forskere havde tidligere brugt strain engineering til at indlejre stive sensorer og transistorer i strækbare, biomimetiske systemer til at hjælpe patienter med bevægelsesforstyrrelser. For at eliminere mekanisk uoverensstemmelse mellem stive og bløde komponenter; sensorerne og transistorerne skal være strækbare i sig selv. En strain-sensing transistor kan forenkle fremstillingsprocessen for at forbedre den mekaniske robusthed og tilpasningsevne. En ekstra kapacitet til selvhelbredelse kan øge fordelene ved e-skin for at garantere en længere levetid.

I nærværende arbejde, Young Oh et al. præsenteret en iboende strækbar og selvhelbredende halvledende film med belastningsfølsom elektrisk adfærd inkluderet i en strækbar transistor. De smeltede to materialer sammen for at danne en halvledende film ved at blande en polymer halvleder og en isolerende elastomer for at demonstrere den nye egenskab. Da de brød metalkoordinationsbindingerne af det smeltede materiale, konstruktionen kunne spontant rekonstruere for at overføre strækbar, hård, selvhelbredende egenskaber til den skøre halvledende film.

Elastomeren i den blandede film opretholdt et lavt modul til at absorbere den eksterne mekaniske belastning for at konstruere et multifunktionelt elektronisk materiale. Forskerne fremstillede derefter en strækbar aktiv-matrix sensorisk transistor-array, hvor de integrerede den halvledende film, dielektrisk elektrode og sammenkobling ved hjælp af en transfer-print proces. Sensorarrayets halvleder/dielektriske grænseflade var vandtæt, selv efter kontakt med kunstig sved i 15 timer. Young Oh et al. forestille sig, at de stammefølsomme, strækbar og selvhelbredende halvleder vil ændre standarden for e-skin til udvidede applikationer.

Holdet konstruerede et sammensat halvledende materiale som tidligere udviklet af den samme forskningsgruppe. I dette arbejde, de forkortede den nye sammensatte DPP-TVT-PDCA; hvor de blandede poly(3, 6-di(thiophen-2-yl)diketopyrrolo[3, 4-c]pyrrol-1, 4-dion-alt-1, 2-dithienylethen) med 10 molprocent 2, 6-pyridinedicarboxamin (PDCA) dele.

De kombinerede derefter PDCA med poly(dimethylsiloxan-alt-2, 6-pyridindicarbozamin) til dannelse af PDMS-PDCA-polymeren. PDCA-polymeren dannede metal-ligand-koordinationskomplekser (Fe(III)-PDCA) med flere dynamiske bindinger og tre forskellige bindingsstyrker for at lette dynamisk tværbinding, iboende strækbarhed og selvhelbredende potentiale. Forskerne demonstrerede Fe(III)PDCA-ligandbinding med PDMS-PDCA og DPP-TVT-PDCA i blandingsfilmen.

De optimerede felteffektmobiliteten på halvlederfilmen (DPP-TVT-PDCA) ved at introducere forskellige forhold mellem en elastomer (PDMS-PDCA-Fe) for at danne en blandingsfilm med et optimeret vægtforhold. Den resulterende halvledende polymer opretholdt rimelige ladningsbærermobiliteter og dannede tilstrækkelige elektriske perkolationsveje. Blandingsfilmen bibeholdt en høj strækbarhed, Poissons forhold og Youngs modul svarer til menneskelig hud og bedre end typiske halvledende polymerer. Rheologisk analyse af blandingsfilmen ved stuetemperatur viste, at materialet opførte sig på samme måde som et fast stof med metal-ion-koordinations-tværbinding. Materialets glasovergangstemperatur svarede til typisk PDMS-gummi.

De testede filmens strækbarhed ved hjælp af gentagne belastningscykliske test, og krediterede den observerede energidissipation til Fe(III)-PDCA-koordinationsbindingsbrud under stressafslapning. Selv efter forlængelse af blandingsfilmen ud over 100 procent belastning, den kom sig til sin oprindelige længde efter en times hvile på grund af omorganisering af polymerkæder. Holdet karakteriserede morfologien og den elektriske perkolation af blandingsfilmen ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi. Efterfulgt af kortlægning af materialets elementer ved hjælp af energidispersiv røntgenspektroskopi for at identificere svovl (S), silicium (Si) og jern (Fe) toppe. Resultaterne viste høj følsomhed af materialet over for belastning, hvor elastomeren absorberede den påførte belastning, mens den bibeholdt det krystallinske område af den halvledende film, for at muliggøre den foreslåede strækkemekanisme af blandingsfilmen.

Forskerholdet testede den belastningsfølsomme ladningstransport af den halvledende film ved hjælp af organiske tyndfilmstransistorer (OTFT'er) via transferprint. De opdagede ingen nanorevner i den overførte film ved hjælp af atomkraftmikroskopi (AFM) for at eliminere muligheden for mekanisk skade på grund af belastning. Forskerne fordampede derefter guld, et elektrodemateriale, på blandingsfilmen og observerede, at transistorens on-strøm faldt, efterhånden som den procentvise belastning steg. Målefaktoren var højest ved 5,7 x 10 ⁵ ved 100 procent belastning, hvilket var den højeste værdi rapporteret for halvledende strain gauges, og sammenlignelig med state-of-art, lederbaserede strain gauges. Enhederne viste fuldt reversibel strømspændingskarakter og gentagelig cyklusadfærd, svarende til strækbarheden af ​​menneskelig hud.

Young Oh et al. opnået den unikke selvhelbredende egenskab ved e-skin gennem dynamisk metal-ligand-koordinationsbinding. For at teste den selvhelbredende kapacitet, de skærer materialet (200 nm i tykkelse) ved stuetemperatur, forlod det i 24 timer og observerede arret forsvinde autonomt. Den helede film kunne strækkes til mere end 200 procent belastning før frakturering. Da de testede den elektriske egenskab af den helede halvledende film ved hjælp af en blød kontaktmetode i OTFT, de genfandt felteffektmobiliteten af ​​det helede materiale. Forholdsvis, skæring af et halvledende materiale uden selvhelbredende egenskaber bibeholdt ikke transistorlignende strøm-spændingsadfærd.

For at muliggøre nyudviklet halvledende materiale til e-skin-applikationer, Young Oh et al. fremstillet en fem gange fem fuldt strækbar, belastningsfølsomt aktiv-matrix-transistorarray. For det, de byggede en meget strækbar og ledende sammenkobling ved hjælp af en elektrode lavet af stærkt ledende strækbart guld (Au) og en polystyrenelastomer til højhastigheds-multiscanninger uden signalforsinkelse eller -tab inden for den aktive matrix-arkitektur. For at bekræfte elektrodens mekaniske pålidelighed gennemførte de gentagne cykliske tests på op til 100 cyklusser under 50 procent belastning og opnåede overlegen ydeevne. Enheden udviste reversible belastningsfølende operationer for fuldt ud at komme sig til den oprindelige tilstand efter frigivelse af stammen.

Til e-skin applikationer af det strækbare strain sensor array, forskerne sænkede enhedens driftsspænding fra -60 til -5 volt for langsigtet bæredygtighed og medicinsk sikkerhed. På trods af den lave tærskelspænding, enheden var følsom over for påført belastning. Vandtæt ydeevne var en prioritet for at forhindre enhedsfejl ved kontakt med menneskelig hudgenereret ionisk sved; hvilket de opnåede ved at bruge en elastomer til at passivere fem-til-fem-sensortransistor-arrayet mod sved, efterfulgt af nedsænkning i kunstig sved i 15 timer. Det monolitiske sensorsystem kunne 3-D kortlægge e-skin deformation i en forenklet fremstillingsproces, kombinere en sensor- og transistorarkitektur til en enkelt enhed. Forskerne "prikkede" e-skindet for at kvantificere aktuelle ændringer af det aktive matrixsensorarray og simulerede den påførte belastning ved hjælp af finite-element-metoder.

På denne måde Jin Young Oh og kolleger præsenterede en tilgang til ingeniørstammefølsomme, strækbare og selvhelbredende halvlederfilm til dannelse af hudlignende aktivmatrix-belastningssensor-arrays. Det sammensatte netværk af materialer gav belastningsfølsomhed til den blandede film. Metalligandkoordinationen gjorde det muligt for halvlederen at være meget strækbar og automatisk selvhelende ved stuetemperatur. Ved at bruge den halvledende film, forskerne udviklede en e-skin, der detekterede trykinduceret deformation, sideløbende med visualisering af den påførte belastning. Den syntetiske e-skin var fuldt helbredelig og i stand til at fungere inden for en medicinsk sikker spænding, med potentiale til at inkorporere high-k dielektriske materialer efter yderligere optimering.

© 2019 Science X Network