grafen, hexagonalt arrangerade kolatomer i ett enda lager med överlägsen böjlighet och hög ledningsförmåga, skulle kunna utveckla flexibel elektronik enligt en Penn State-ledd internationell forskargrupp. Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Karriärutvecklingsprofessor vid Penn State Department of Engineering Science and Mechanics (ESM), leder samarbetet, som nyligen publicerade två studier som kan informera forskning och utveckling av framtida rörelsedetektion, anordningar för taktil avkänning och hälsoövervakning.

Undersöker hur laserbehandling påverkar grafenform och funktion

Flera ämnen kan omvandlas till kol för att skapa grafen genom laserstrålning. Kallas laserinducerad grafen (LIG), den resulterande produkten kan ha specifika egenskaper som bestäms av originalmaterialet. Teamet testade denna process och publicerade sina resultat i SCIENCE KINA Teknologiska vetenskaper .

Prover av polyimid, en typ av plast, bestrålades genom laserskanning. Forskarna varierade kraften, skanningshastighet, antal passager och densitet av skanningslinjer.

"Vi ville titta på hur olika parametrar i laserbearbetningsprocessen skapar olika nanostrukturer, "Cheng sa. "Att variera kraften gjorde det möjligt för oss att skapa LIG antingen i en fiber- eller skumstruktur."

Forskarna fann att lägre effektnivåer, från 7,2 watt till ungefär 9 watt, resulterade i bildandet av ett poröst skum med många ultrafina lager. Detta LIG-skum uppvisade elektrisk ledningsförmåga och en rimlig motståndskraft mot värmeskador - båda egenskaper som är användbara i komponenter i elektroniska enheter.

Ökning av effekten från cirka 9 watt till 12,6 watt ändrade LIG-bildningsmönstret från skum till buntar av små fibrer. Dessa buntar blev större i diameter med ökad laserkraft, medan högre effekt främjade den webbliknande tillväxten av ett fibernät. Den fibrösa strukturen visade bättre elektrisk ledningsförmåga än skummet. Enligt Cheng, denna ökade prestanda i kombination med fiberns form kan öppna möjligheter för avkänningsanordningar.

"I allmänhet, detta är ett ledande ramverk som vi kan använda för att konstruera andra komponenter, " sa Cheng. "Så länge fibern är ledande, vi kan använda den som en ställning och göra många efterföljande modifieringar på ytan för att möjliggöra ett antal sensorer, som en glukossensor på huden eller en infektionsdetektor för sår."

Att variera laserskanningshastigheten, densitet och pass för LIG som bildas vid olika effekter påverkade också konduktiviteten och efterföljande prestanda. Mer laserexponering resulterade i högre konduktivitet, men föll så småningom på grund av överskottsförkolning från förbränning.

Demonstrerar en billig LIG-sensor

Med den tidigare studien som grund, Cheng och teamet gav sig i kast med att designa, tillverka och testa en flexibel LIG-trycksensor. De rapporterade sina resultat i SCIENCE KINA Teknologiska vetenskaper .

"Trycksensorer är mycket viktiga, ", sa Cheng. "Vi kan använda dem inte bara i hushåll och tillverkning utan också på hudytan för att mäta massor av signaler från människokroppen, som pulsen. De kan också användas i gränssnittet mellan människa och maskin för att förbättra prestanda hos proteser eller övervaka deras fästpunkter."

Teamet testade två designs. För det första, de placerade ett tunt LIG-skumlager mellan två polyimidlager innehållande kopparelektroder. När tryck applicerades, LIG genererade el. Tomrummen i skummet minskade antalet vägar för elektricitet att färdas, gör det lättare att lokalisera tryckkällan, och verkade förbättra känsligheten för känsliga beröringar.

Denna första design, när den är fäst på handryggen eller fingret, detekterade böjnings- och sträckande handrörelser—liksom det karakteristiska slagverket, tidvatten och diastoliska vågor av hjärtslag. Enligt Cheng, denna pulsavläsning skulle kunna kombineras med en elektrokardiogramavläsning för att ge blodtrycksmätningar utan manschett.

I den andra designen, forskarna införlivade nanopartiklar i LIG-skummet. Dessa små sfärer av molybdendisulfid, en halvledare som kan fungera som en ledare och en isolator, förbättrade skummets känslighet och motståndskraft mot fysiska krafter. Denna design var också motståndskraftig mot upprepad användning, visar nästan identisk prestation före och efter nästan 10, 000 användningar.

Båda designerna var kostnadseffektiva och möjliggjorde enkel datainsamling, enligt Cheng.

Forskarna planerar att fortsätta utforska designen som fristående enheter för hälsoövervakning eller tillsammans med annan befintlig utrustning.