Hjärnan är mjuk och elektroniken är stel, vilket kan göra att kombinera de två utmanande, till exempel när neurovetenskapare implanterar elektroder för att mäta hjärnaktivitet och kanske levererar små skott av elektricitet för smärtlindring eller andra ändamål.

Kemikalieingenjör Zhenan Bao försöker ändra på det. I mer än ett decennium, hennes labb har arbetat med att göra elektronik mjuk och flexibel så att de känns och fungerar nästan som en andra hud. Längs vägen, teamet har börjat fokusera på att göra spröd plast som kan leda elektricitet mer elastisk.

Nu inne Vetenskapliga framsteg , Baos team beskriver hur de tog en sådan spröd plast och modifierade den kemiskt för att göra den lika böjbar som ett gummiband, samtidigt som dess elektriska konduktivitet förbättras något. Resultatet är en mjuk, flexibel elektrod som är kompatibel med våra smidiga och känsliga nerver.

"Denna flexibla elektrod öppnar upp många nya, spännande möjligheter på vägen för hjärnans gränssnitt och annan implanterbar elektronik, "sa Bao, professor i kemiteknik. "Här, vi har ett nytt material med kompromisslös elektrisk prestanda och hög töjbarhet. "

Materialet är fortfarande en laboratorieprototyp, men teamet hoppas kunna utveckla det som en del av deras långsiktiga fokus på att skapa flexibla material som gränsar till människokroppen.

Flexibelt gränssnitt

Elektroder är grundläggande för elektronik. Ledning av el, dessa ledningar bär fram och tillbaka signaler som gör att olika komponenter i en enhet kan fungera tillsammans. I våra hjärnor, speciella trådliknande fibrer som kallas axoner spelar en liknande roll, överföring av elektriska impulser mellan neuroner. Baos töjbara plast är designad för att skapa en mer sömlös koppling mellan elektronikens styva värld och de flexibla organiska elektroderna i våra kroppar.

"En sak om den mänskliga hjärnan som många människor inte känner till är att den ändrar volym under dagen, säger postdoktor Yue Wang, den första författaren på tidningen. "Det sväller och sväller." Den nuvarande generationen av elektroniska implantat kan inte töjas och dra ihop sig med hjärnan och göra det komplicerat att upprätthålla en bra anslutning.

"Om vi ​​har en elektrod med en liknande mjukhet som hjärnan, det kommer att bilda ett bättre gränssnitt, sa Wang.

För att skapa denna flexibla elektrod, forskarna började med en plast som hade två väsentliga egenskaper:hög konduktivitet och biokompatibilitet, vilket innebär att det säkert kan bringas i kontakt med människokroppen. Men denna plast hade en brist:den var väldigt spröd. Att sträcka ut det till och med 5 procent skulle bryta det.

Tätt sårad och spröd

När Bao och hennes team försökte bevara konduktiviteten samtidigt som de tillförde flexibilitet, de arbetade med forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory för att använda en speciell typ av röntgen för att studera detta material på molekylär nivå. All plast är polymerer; det är, kedjor av molekyler sammanträdda som pärlor. Plasten i detta experiment bestod faktiskt av två olika polymerer som lindades tätt ihop. En var den elektriska ledaren. Den andra polymeren var avgörande för processen att tillverka plasten. När dessa två polymerer kombinerades skapade de en plast som var som en sträng av spröda, sfärliknande strukturer. Det var ledande, men inte flexibel.

Forskarna antog att om de kunde hitta rätt molekylär tillsats för att separera dessa två tätt lindade polymerer, de kunde förhindra denna kristallisation och ge plasten mer stretch. Men de var tvungna att vara försiktiga - tillsats av material till en ledare försvagar vanligtvis dess förmåga att överföra elektriska signaler.

Efter att ha testat mer än 20 olika molekylära tillsatser, de hittade äntligen en som gjorde susen. Det var en molekyl som liknade den typ av tillsatser som användes för att tjockna soppor i industrikök. Denna tillsats förvandlade plastens tjocka och spröda molekylstruktur till ett nätmönster med hål i trådarna för att låta materialet sträckas och deformeras. När de testade det nya materialets elasticitet, de blev glada över att finna att den blev något mer ledande när den sträcktes till dubbelt så lång. Plasten förblev mycket ledande även när den sträcktes 800 procent av sin ursprungliga längd.

"Vi trodde att om vi lägger till isolerande material, vi skulle få riktigt dålig konduktivitet, speciellt när vi lagt till så mycket, " sa Bao. Men tack vare deras exakta förståelse för hur man ställer in den molekylära sammansättningen, forskarna fick det bästa av två världar:högsta möjliga ledningsförmåga för plasten samtidigt som den förvandlades till ett mycket robust och stretchigt ämne.

"Genom att förstå interaktionen på molekylär nivå, vi kan utveckla elektronik som är mjuk och stretchig som hud, medan de förblir ledande, "Säger Wang.