3D-geprinte koolstofnanobuissensoren tonen potentieel voor slimme gezondheidsmonitoring

Geleidende nanocomposieten op basis van polymeer, met name die met koolstofnanobuisjes, zijn veelbelovend voor de ontwikkeling van flexibele elektronica, zachte robotica en draagbare apparaten. CNT’s zijn echter moeilijk om mee te werken omdat ze de neiging hebben om te agglomereren, waardoor het moeilijk is om een ​​uniforme dispersie te verkrijgen. Bovendien beperken conventionele methoden de controle over CNT -verdeling en vorm.

Om deze uitdagingen te overwinnen, wenden onderzoekers zich tot additieve productie (AM) of 3D -printmethoden, zoals btw -fotopolymerisatie (VPP), die uitstekende ontwerpvrijheid bieden met een hoge druknauwkeurigheid.

In deze methode wordt een licht gebruikt om lagen van een inkt selectief te genezen en uit te harden in een btw, waardoor een 3D -object geleidelijk wordt gebouwd. Ondanks zijn voordelen vormt het ook verschillende uitdagingen. De aanwezigheid van CNT’s beïnvloedt de afdrukbaarheid en uithardingseigenschappen van de inkten. Bovendien is het tegelijkertijd een grote uitdaging om tegelijkertijd een hoge rekbaarheid en elektrische geleidbaarheid te bereiken.

Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor Keun Park en universitair hoofddocent Soonjae Pyo van het Department of Mechanical System Design Engineering aan de Seoul National University of Science and Technology in Korea met succes zeer rekbare, elektrisch geleidende CNT-Nanocomposites gefabriceerd, met behulp van VPP-type 3D-printen.

“Onze nieuwe CNT-Nanocomposites zijn specifiek geoptimaliseerd voor op VPP gebaseerde processen, waardoor zeer complexe 3D-structuren worden gefabriceerd”, legt Prof. Park uit. “We hebben deze materialen ook gebruikt om nieuwe piëzoresistieve sensoren bij te voegen en geïntegreerd in een draagbaar gezondheidsbewakingsapparaat.”

Hun studie wordt gepubliceerd in het tijdschrift Samengestelde structuren.

Het team bereidde eerst polymeer nanocomposiet inkten door uniform verspreiding van meerwandige koolstofnanobuisjes (MWCNT’s) in een alifatische urethaandiacrylaat (aud) hars, met concentraties variërend van 0,1 tot 0,9 gewicht%. Om uniforme dispersie te bereiken, hebben ze het mengsel geagiteerd met behulp van ultrasone golven. De voorbereide inkten werden vervolgens geanalyseerd om de optimale afdrukomstandigheden te bepalen.

Vervolgens vervaardigde het team bijpassend testspecimens met behulp van de verschillende inkten en testten ze op hun mechanische en elektrische eigenschappen, evenals de drukresolutie (de minimale dikte die kan worden afgedrukt). Resultaten toonden aan dat de formulering met 0,9 gewicht% CNT het beste evenwicht van eigenschappen bood.

Het kan tot 223% van zijn oorspronkelijke lengte uitrekken voordat het breekt, terwijl het nog steeds een opmerkelijke elektrische geleidbaarheid van 1,64 × 10 bereikt⁻³ S/M, overtroffen die van eerder gerapporteerde materialen. Het bereikte ook een afdrukresolutie van 0,6 mm.

Om praktische toepasbaarheid aan te tonen, gebruikten de onderzoekers de geoptimaliseerde CNT-nanocomposiet tot 3D-print flexibel drievoudig periodiek minimaal oppervlak (TPMS) gebaseerde piëzoresistieve sensoren die een hoge gevoeligheid en betrouwbare prestaties vertoonden. Belangrijk is dat ze deze sensoren in een binnenzool hebben geïntegreerd om een ​​slim-onsolplatform te creëren.

Met behulp van dit platform kan het team de drukverdeling onderaan de voet in realtime controleren, waarbij verschillende menselijke bewegingen en houdingen worden gedetecteerd.

“Het ontwikkelde smart-onsolapparaat demonstreert het potentieel van onze CNT-nanocomposieten voor het afdrukken van de volgende generatie zeer rekbare en geleidende materialen”, aldus prof. Pyo. “Wij geloven dat deze materialen onmisbaar zullen zijn voor draagbare gezondheidsmonitors, flexibele elektronica en slim textiel.”