Лазерный графен для носимых медицинских устройств

Графен — шестиугольно расположенные атомы углерода в одном слое с превосходной гибкостью и высокой проводимостью — может повлиять на разработку будущих устройств обнаружения движения, тактильного восприятия и мониторинга состояния здоровья.

Некоторые вещества могут быть преобразованы в углерод для создания графена с помощью лазерного излучения. Полученный продукт, называемый лазерно-индуцированным графеном (ЛИГ), может обладать специфическими свойствами, определяемыми исходным материалом. Образцы полиимида, типа пластика, облучали лазерным сканированием. Исследователи варьировали мощность, скорость сканирования, количество проходов и плотность линий сканирования, чтобы увидеть, как разные параметры процесса лазерной обработки создают разные наноструктуры.

Исследователи обнаружили, что более низкие уровни мощности, от 7,2 Вт до примерно 9 Вт, приводят к образованию пористой пены с множеством сверхтонких слоев. Эта пена LIG показала электропроводность и достаточную стойкость к тепловым повреждениям — оба свойства полезны в компонентах электронных устройств.

Увеличение мощности примерно с 9 Вт до 12,6 Вт изменило модель формирования ЛИГ с пены на пучки мелких волокон. Эти пучки увеличивались в диаметре с увеличением мощности лазера, в то время как более высокая мощность способствовала паутинообразному росту волоконной сети. Волокнистая структура показала лучшую электропроводность, чем пена. Эта повышенная производительность в сочетании с формой волокна может открыть возможности для сенсорных устройств. Пока волокно является проводящим, его можно использовать в качестве каркаса; последующие модификации поверхности могут позволить использовать ряд датчиков, таких как датчик глюкозы на коже или детектор инфекции для ран.

Изменение скорости лазерного сканирования, плотности и проходов для ЛИГ, сформированного при различной мощности, также влияло на проводимость и последующую производительность. Большее воздействие лазера приводило к повышению проводимости, но в конечном итоге снижалось из-за избыточного карбонизации в результате сжигания.

Команда разработала, изготовила и испытала гибкий датчик давления LIG. В первой конструкции они поместили тонкий слой пены LIG между двумя слоями полиимида, содержащими медные электроды. При приложении давления LIG вырабатывал электричество. Пустоты в пене сокращали количество путей прохождения электричества, упрощая локализацию источника давления и повышая чувствительность к деликатным прикосновениям.

Эта конструкция, прикрепленная к тыльной стороне кисти или пальцу, регистрировала сгибательные и разгибательные движения руки, а также характерные перкуссионные, приливные и диастолические волны сердцебиения. Это измерение пульса можно комбинировать с показаниями электрокардиограммы для измерения артериального давления без манжеты.

Во втором дизайне исследователи включили наночастицы в пену LIG. Эти крошечные шарики дисульфида молибдена, полупроводника, который может действовать как проводник и изолятор, повысили чувствительность пенопласта и устойчивость к физическим воздействиям. Эта конструкция также была устойчива к многократному использованию, показывая почти одинаковую производительность до и после почти 10 000 использований.