När bärbara sensorer blir allt vanligare, Behovet av ett material som är resistent mot skador från stress och påfrestningar från människokroppens naturliga rörelser blir allt mer avgörande. För detta ändamål, forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har utvecklat en metod för att anta kirigami-arkitekturer för att hjälpa material att bli mer belastningstoleranta och mer anpassningsbara till rörelse.

Liknar origami, den mer välkända konsten att vika papper, kirigami innebär skärning utöver vikning. Teamet ledd av SungWoo Nam, docent i maskinvetenskap och teknik, och Keong Yong tillämpade framgångsrikt kirigami-arkitekturer på grafen, ett ultratunt material, för att skapa sensorer lämpliga för bärbara enheter.

"För att uppnå de bästa avkänningsresultaten, du vill inte att din rörelse genererar ytterligare signalutgångar, ", noterade Nam. "Vi använder kirigami-snitt för att ge töjbarhet utöver ett materials normala deformerbarhet. Denna speciella design är mycket effektiv för att frikoppla rörelseartefakter från de önskade signalerna."

För att uppnå dessa resultat, forskargruppen kunde utföra ett antal simuleringar genom att samarbeta med Narayana Aluru, professor i maskinvetenskap och teknik, och genom att utveckla onlinemjukvara på en nanotillverkningsnod, den första i sitt slag som utvecklats. Mjukvaruplattformen online tillåter forskare att utföra simuleringar innan de skapar de faktiska enheterna eller plattformarna.

När teamet kom fram till en design som fungerade bra i simulering, det var dags att testa det. Grafen verkade lovande som material eftersom det tål betydande deformation och sönderfall i jämförelse med metaller och andra konventionella material. Eftersom grafen är ett atomärt tunt material, forskargruppen kunde kapsla in grafenskiktet mellan två polyimidskikt (samma material som används för att skydda vikbara smartphones). När väl "smörgåsen" skapades, de konstruerade därefter kirigami-snitt för att förbättra materialets töjbarhet.

"Eftersom grafen är känsligt för yttre förändringar, men också en flexibel semimetallledare, människor är mycket intresserade av att skapa sensorer från det, " sa Nam. "Denna känslighet är väl lämpad för att upptäcka vad som finns omkring dig, såsom glukos eller jonhalter i svett. "

Teamet fann att antagandet av en kirigami-arkitektur gjorde grafenen inte bara töjbar, men också ansträngningsokänslig och fri från rörelseartefakter, vilket betyder att även när det var deformerat, det var ingen förändring i det elektriska tillståndet. Specifikt, de fann att grafenelektroderna uppvisade töjningsokänslighet upp till 240 procent enaxlig töjning, eller 720 graders vridning.

De publicerade resultaten av sin studie i Material idag .

"Det som är intressant med kirigami är att när du sträcker ut den, du skapar en lutning utanför planet, " sa Nam. "Det är så strukturen kan ta så stora deformationer."

I sin design, forskarna placerade det aktiva avkänningselementet på en "ö" mellan två "broar" gjorda av kirigami-grafen. Medan grafen inte tappade någon elektrisk signal trots böjning och lutning, det tog fortfarande belastningen från sträckningen och ansträngningen, gör det möjligt för det aktiva avkänningselementet att förbli anslutet till ytan. Som sådan, kirigami har den unika förmågan att omfördela stresskoncentrationer, för att därigenom uppnå förbättrade riktningsmekaniska attribut.

Medan forskargruppen framgångsrikt bevisade den grundläggande metoden, de arbetar redan med att förbättra version 2.0 med möjlighet att så småningom kommersialisera tekniken.

Teamet hade också positiva resultat med polydimetylsiloxan (PDMS) som sandwichlager och tror att, förutom grafen, designen skulle också kunna sträcka sig till andra atomärt tunna material såsom dikalkogenider av övergångsmetall.