"Hudelektronik" är tunna, flexibel elektronik som kan monteras på huden. Även om det kan låta som något ur science fiction, man förväntar sig att sådana enheter snart kommer att fungera i ett brett spektrum av tillämpningar, såsom hälsoövervakning, hälsodiagnos, virtuell verklighet, och människa-maskin-gränssnitt.

Att skapa sådana enheter kräver komponenter som är mjuka och töjbara för att vara mekaniskt kompatibla med den mänskliga huden. En av de vitala komponenterna i hudelektronik är en i sig töjbar ledare som överför elektriska signaler mellan enheter. För pålitlig drift och högkvalitativ prestanda, en töjbar ledare som har ultratunn tjocklek, metallliknande ledningsförmåga, hög töjbarhet, och enkel mönstring krävs. Trots omfattande forskning, det var ännu inte möjligt att utveckla ett material som besitter alla dessa egenskaper samtidigt, på grund av att de ofta har avvägningar mellan varandra.

Leds av professor Hyeon Taeghwan och Kim Dae-Hyeong, forskare vid Center for Nanopartikelforskning inom Institutet för grundvetenskap (IBS) i Seoul, Sydkorea avslöjade en ny metod för att tillverka ett kompositmaterial i form av nanomembran, som kommer med alla ovan nämnda egenskaper. Det nya kompositmaterialet består av nanotrådar av metall som är tätt packade i ett monolager i ultratunn gummifilm.

Detta nya material gjordes med hjälp av en process som teamet utvecklade som kallas en "float assembly method." Flottörenheten drar fördel av Marangoni-effekten, som uppstår i två vätskefaser med olika ytspänningar. När det finns en gradient i ytspänning, ett Marangoniflöde genereras bort från området med lägre ytspänning mot området med högre ytspänning. Detta innebär att om en vätska med lägre ytspänning tappas på en vattenyta sänks ytspänningen lokalt, och det resulterande Marangoni-flödet gör att den tappade vätskan sprider sig tunt över vattenytan.

Nanomembranet skapas med hjälp av en flytmonteringsmetod som består av en trestegsprocess. Det första steget innebär att släppa en sammansatt lösning, som är en blandning av metall nanotrådar, gummi löst i toluen, och etanol, på vattenytan. Toluen-gummifasen förblir ovanför vattnet på grund av dess hydrofoba egenskaper, medan nanotrådarna hamnar på gränsytan mellan vatten- och toluenfasen. Etanolen i lösningen blandas med vattnet för att sänka den lokala ytspänningen, som genererar ett Marangoni-flöde som fortplantar sig utåt och förhindrar aggregering av nanotrådarna. Detta sätter ihop nanomaterialen till ett monolager vid gränsytan mellan vatten och en mycket tunn gummi/lösningsmedelsfilm. I det andra steget, det ytaktiva medlet tappas för att generera en andra våg av Marangoni-flöde som tätt komprimerar nanotrådarna. Till sist, i det tredje steget, toluenen förångas och ett nanomembran med en unik struktur där ett mycket kompakterat monolager av nanotrådar delvis är inbäddat i en ultratunn gummifilm erhålls.

Dess unika struktur möjliggör effektiv spänningsfördelning i ultratunn gummifilm, leder till utmärkta fysikaliska egenskaper, såsom en töjbarhet på över 1, 000 %, och en tjocklek på endast 250 nm. Strukturen tillåter också kallsvetsning och tvåskiktsstapling av nanomembranet på varandra, vilket leder till en metallliknande konduktivitet över 100, 000 S/cm. Vidare, forskarna visade att nanomembranet kan mönstras med hjälp av fotolitografi, vilket är en nyckelteknologi som används allmänt för tillverkning av kommersiella halvledarenheter och avancerad elektronik. Därför, det förväntas att nanomembranet kan fungera som ett nytt plattformsmaterial för hudelektronik.

Implikationerna av denna studie kan gå långt utöver utvecklingen av hudelektronik. Medan denna studie visade upp ett kompositmaterial bestående av silver nanotrådar i styren-etylen-butylen-styren (SEBS) gummi, det är också möjligt att använda flytmonteringsmetoden på olika nanomaterial som magnetiska nanomaterial och halvledande nanomaterial, samt andra typer av elastomerer som TPU och SIS. Därför, det förväntas att flottören kan öppna nya forskningsfält som involverar olika typer av nanomembran med olika funktioner.

Studien publiceras i tidskriften Vetenskap .