Durchbruch bei tragbaren Sensoren? NCSU-Ingenieure entwickeln dehnbares elektronisches Material, das „atmen“ kann

RALEIGH – Ingenieurforscher haben ultradünnes, dehnbares elektronisches Material entwickelt, das gasdurchlässig ist und somit „atmen“ kann. Das Material wurde speziell für den Einsatz in biomedizinischen oder tragbaren Technologien entwickelt, da die Gasdurchlässigkeit Schweiß und flüchtige organische Verbindungen von der Haut verdunsten lässt, was es für den Benutzer angenehmer macht – insbesondere bei längerem Tragen.

„Die Gasdurchlässigkeit ist der große Fortschritt gegenüber früheren dehnbaren elektronischen Bauteilen“, sagt Yong Zhu, Co-Autor eines Artikels über die Arbeit und Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der North Carolina State University. „Aber auch die Methode, die wir zur Herstellung des Materials verwendet haben, ist wichtig, denn es ist ein einfacher Prozess, der sich leicht skalieren lässt.“

Konkret verwendeten die Forscher eine Technik namens „Breath Figure Method“, um einen dehnbaren Polymerfilm mit einer gleichmäßigen Verteilung von Löchern zu erzeugen. Der Film wird beschichtet, indem er in eine Lösung getaucht wird, die Nanodrähte aus Silber enthält. Anschließend pressen die Forscher das Material heiß, um die Nanodrähte an Ort und Stelle zu versiegeln.

„Der resultierende Film weist eine hervorragende Kombination aus elektrischer Leitfähigkeit, optischer Durchlässigkeit und Wasserdampfdurchlässigkeit auf“, sagt Zhu. „Und da die Silbernanodrähte direkt unter der Oberfläche des Polymers eingebettet sind, weist das Material auch bei Schweiß und nach längerem Tragen eine hervorragende Stabilität auf.“

„Das Endergebnis ist extrem dünn – nur wenige Mikrometer dick“, sagt Shanshan Yao, Co-Autor des Artikels und ehemaliger Postdoktorand an der NC State, der jetzt an der Stony Brook University lehrt. „Dies ermöglicht einen besseren Kontakt mit der Haut und verleiht der Elektronik ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis.

„Und die Gasdurchlässigkeit tragbarer Elektronik ist nicht nur für den Komfort wichtig“, sagt Yao. „Wenn ein tragbares Gerät nicht gasdurchlässig ist, kann es auch Hautreizungen verursachen.“

Um das Potenzial des Materials für den Einsatz in tragbarer Elektronik zu demonstrieren, entwickelten und testeten die Forscher Prototypen für zwei repräsentative Anwendungen.

Der erste Prototyp bestand aus trockenen, auf der Haut montierbaren Elektroden zur Verwendung als elektrophysiologische Sensoren. Diese haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, wie etwa die Messung von Elektrokardiographie- (EKG) und Elektromyographie- (EMG) Signalen.

„Diese Sensoren konnten Signale in hervorragender Qualität aufzeichnen, vergleichbar mit handelsüblichen Elektroden“, sagt Zhu.

Der zweite Prototyp demonstrierte textilintegrierte Berührungssensoren für Mensch-Maschine-Schnittstellen. Die Autoren verwendeten eine tragbare Textilhülle mit integrierten porösen Elektroden, um Computerspiele wie Tetris zu spielen. Ein entsprechendes Video finden Sie unter https://youtu.be/7AO_cq8A_BE

„Wenn wir tragbare Sensoren oder Benutzeroberflächen entwickeln wollen, die über einen längeren Zeitraum getragen werden können, brauchen wir gasdurchlässige elektronische Materialien“, sagt Zhu. „Das ist also ein bedeutender Schritt nach vorne.“

er Papier, „Gasdurchlässige, ultradünne, dehnbare epidermale Elektronik mit porösen Elektroden“, ist in der Zeitschrift ACS Nano erschienen. Erstautor des Artikels ist Weixin Zhou, ein Doktorand an der Nanjing University of Posts and Telecommunications (NUPT), der während seines Gaststudiums an der NC State an dem Projekt arbeitete. Der Artikel wurde von Hongyu Wang, einem Doktoranden an der NC State, und von Qingchuan Du von der NUPT mitverfasst. Mitautor des Artikels ist Yanwen Ma, eine Professorin an der NUPT.

Die Arbeit wurde mit Unterstützung der National Science Foundation unter der Fördernummer CMMI-1728370 durchgeführt.

(C) NCSU

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire