Meget ledende og elastisk nanomembran til hudelektronik

"Hudelektronik" er tynd, fleksibel elektronik, der kunne monteres på huden. Selvom det kan lyde som noget ud af science fiction, det forventes, at sådanne enheder snart vil tjene i en lang række applikationer, såsom sundhedsovervågning, helbredsdiagnose, Virtual reality, og menneske-maskine interface.

At skabe sådanne enheder kræver komponenter, der er bløde og strækbare for at være mekanisk kompatible med den menneskelige hud. En af de vitale komponenter i hudelektronik er en iboende strækbar leder, der transmitterer elektriske signaler mellem enheder. For pålidelig drift og ydeevne af høj kvalitet, en strækbar leder med ultratynd tykkelse, metallignende ledningsevne, høj strækbarhed, og let mønsterbarhed er påkrævet. Trods omfattende forskning, det var endnu ikke muligt at udvikle et materiale, der besidder alle disse egenskaber samtidigt, på grund af, at de ofte har afvejninger mellem hinanden.

Ledet af professor Hyeon Taeghwan og Kim Dae-Hyeong, forskere ved Center for Nanopartikelforskning i Institute for Basic Science (IBS) i Seoul, Sydkorea afslørede en ny metode til at fremstille et kompositmateriale i form af nanomembran, som kommer med alle de ovennævnte egenskaber. Det nye kompositmateriale består af metal nanotråde, der er tæt pakket i et monolag i ultratynd gummifilm.

Dette nye materiale blev lavet ved hjælp af en proces, som holdet udviklede, kaldet en "float assembly-metode". Flyderenheden udnytter Marangoni-effekten, som opstår i to væskefaser med forskellige overfladespændinger. Når der er en gradient i overfladespændingen, en Marangoni-strøm genereres væk fra området med lavere overfladespænding mod området med højere overfladespænding. Det betyder, at tab af en væske med lavere overfladespænding på en vandoverflade sænker overfladespændingen lokalt, og den resulterende Marangoni-strøm får den tabte væske til at sprede sig tyndt over vandoverfladen.

Nanomembranen er skabt ved hjælp af en float-samlingsmetode, som består af en tre-trins proces. Det første trin involverer at droppe en sammensat løsning, som er en blanding af metal nanotråde, gummi opløst i toluen, og ethanol, på overfladen af ​​vandet. Toluen-gummifasen forbliver over vandet på grund af dens hydrofobe egenskaber, mens nanotrådene ender på grænsefladen mellem vand- og toluenfaserne. Ethanolen i opløsningen blandes med vandet for at sænke den lokale overfladespænding, som genererer et Marangoni-flow, der forplanter sig udad og forhindrer aggregering af nanotrådene. Dette samler nanomaterialerne til et monolag ved grænsefladen mellem vand og en meget tynd gummi/opløsningsmiddelfilm. I andet trin, det overfladeaktive middel droppes for at generere en anden bølge af Marangoni-flow, som komprimerer nanotrådene tæt. Endelig, i tredje trin, toluenen fordampes, og der opnås en nanomembran med en unik struktur, hvor et meget komprimeret monolag af nanotråde er delvist indlejret i en ultratynd gummifilm.

Dens unikke struktur tillader effektiv belastningsfordeling i ultratynd gummifilm, fører til fremragende fysiske egenskaber, såsom en strækbarhed på over 1, 000 %, og en tykkelse på kun 250 nm. Strukturen tillader også koldsvejsning og to-lags stabling af nanomembranen på hinanden, hvilket fører til en metallignende ledningsevne over 100, 000 S/cm. Desuden, forskerne viste, at nanomembranen kan mønstres ved hjælp af fotolitografi, som er en nøgleteknologi, der er meget udbredt til fremstilling af kommercielle halvlederenheder og avanceret elektronik. Derfor, det forventes, at nanomembranen kan fungere som et nyt platformsmateriale til hudelektronik.

Implikationerne af denne undersøgelse kan gå langt ud over udviklingen af ​​hudelektronik. Mens denne undersøgelse viste et kompositmateriale bestående af sølv nanotråde i styren-ethylen-butylen-styren (SEBS) gummi, det er også muligt at bruge float-samlingsmetoden på forskellige nanomaterialer såsom magnetiske nanomaterialer og halvledende nanomaterialer, samt andre typer elastomerer som TPU og SIS. Derfor, det forventes, at float-samlingen kan åbne nye forskningsfelter, der involverer forskellige typer nanomembraner med forskellige funktioner.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Videnskab .