Лазерно-индуцированный графен: Революция в носимых технологиях здоровья

Графен — гексагонально расположенные атомы углерода в одном слое с превосходной гибкостью и высокой проводимостью — может повлиять на развитие будущих устройств детекции движения, тактильного чутвования и мониторинга здоровья.

Несколько веществ могут быть преобразованы в углерод для создания графена через лазерное излучение. Называемый лазерно-индуцированным графеном (LIG), получившийся продукт может иметь специфические свойства, определяемые исходным материалом. Образцы полиимида, типа пластика, облучались лазерным сканированием. Исследователи варьировали мощность, скорость сканирования, количество проходов и плотность сканирующих линий, чтобы увидеть, как разные параметры лазерного процесса создают разные наноструктуры.

Исследователи обнаружили, что более низкие уровни мощности, от 7,2 Вт до примерно 9 Вт, привели к образованию пористой пены со множеством ультратонких слоев. Эта LIG-пена демонстрировала электрическую проводимость и справедливую устойчивость к тепловому повреждению — оба свойства полезны в компонентах электронных устройств.

Увеличение мощности от примерно 9 Вт до 12,6 Вт изменило образец формирования LIG от пены к пучкам мелких волокон. Эти пучки росли в диаметре с увеличением мощности лазера, в то время как более высокая мощность способствовала паутиноподобному росту волоконной сети. Волокнистая структура показала лучшую электрическую проводимость, чем пена. Это повышенное быстродействие, в сочетании с формой волокна, может открыть возможности для сенсорных устройств. Пока волокно проводит, оно может использоваться как каркас; последующие модификации поверхности могут включить ряд датчиков, таких как глюкозный датчик на коже или детектор инфекции для ран.

Варьирование скорости лазерного сканирования, плотности и проходов для LIG, сформированного на разных мощностях, также влияло на проводимость и последующее быстродействие. Больше лазерного воздействия приводило к более высокой проводимости, но в конечном счете падал из-за излишней карбонизации от сгорания.

Команда спроектировала, изготовила и протестировала гибкий LIG датчик давления. Для первого дизайна они поместили тонкий слой LIG-пены между два слоя полиимида, содержащие медные электроды. Когда давление приложено, LIG генерировала электричество. Пустоты в пене уменьшали количество путей для электричества, делая легче локализацию источника давления и, казалось, улучшая чувствительность к нежным прикосновениям.

Этот дизайн, прикрепленный к тыльной стороне руки или пальцу, обнаруживал изгиб и растяжение движений руки, а также характерные перкуссионные, приливные и диастолические волны пульса. Это чтение пульса может быть объединено с показаниями электрокардиограммы для получения измерений артериального давления без манжеты.

Во втором дизайне исследователи включили наночастицы в LIG-пену. Эти крошечные сферы дисульфида молибдена, полупроводника, который может действовать как проводник и изолятор, усилили чувствительность пены и устойчивость к физическим силам. Этот дизайн также был устойчив к повторному использованию, показывая почти идентичную производительность до и после почти 10 000 использований.