Grafeen gemaakt met lasers voor draagbare gezondheidsapparaten

Grafeen, hexagonaal gerangschikte koolstofatomen in een enkele laag met superieure buigzaamheid en hoge geleidbaarheid, zou flexibele elektronica kunnen bevorderen volgens een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Penn State. Huanyu “Larry” Cheng, Dorothy Quiggle Career Development Professor in Penn State’s Department of Engineering Science and Mechanics (ESM), staat aan het hoofd van de samenwerking, die onlangs twee onderzoeken heeft gepubliceerd die informatie kunnen verschaffen voor onderzoek en ontwikkeling van toekomstige bewegingsdetectie, tactiele detectie en gezondheidsbewakingsapparatuur .

Onderzoeken hoe laserverwerking de vorm en functie van grafeen beïnvloedt

Verschillende stoffen kunnen worden omgezet in koolstof om grafeen te maken door middel van laserstraling. Het wordt laser-geïnduceerd grafeen (LIG) genoemd en het resulterende product kan specifieke eigenschappen hebben die worden bepaald door het oorspronkelijke materiaal. Het team testte dit proces en publiceerde hun resultaten in WETENSCHAP CHINA Technologische wetenschappen.

Monsters van polyimide, een soort plastic, werden bestraald door middel van laserscanning. De onderzoekers varieerden het vermogen, de scansnelheid, het aantal passages en de dichtheid van scanlijnen.

“We wilden kijken hoe verschillende parameters van het laserverwerkingsproces verschillende nanostructuren creëren”, zei Cheng. “Door de kracht te variëren, konden we LIG creëren in een vezel- of schuimstructuur.”

De onderzoekers ontdekten dat lagere vermogensniveaus, van 7,2 watt tot ongeveer 9 watt, resulteerden in de vorming van een poreus schuim met veel ultrafijne lagen. Dit LIG-schuim vertoonde elektrische geleidbaarheid en een redelijke weerstand tegen hitteschade – beide eigenschappen die nuttig zijn in componenten van elektronische apparaten.

Door het vermogen te verhogen van ongeveer 9 watt naar 12,6 watt veranderde het LIG-vormingspatroon van schuim in bundels kleine vezels. Deze bundels werden groter in diameter met een groter laservermogen, terwijl een hoger vermogen de webachtige groei van een glasvezelnetwerk bevorderde. De vezelstructuur vertoonde een betere elektrische geleidbaarheid dan het schuim. Volgens Cheng zou deze verbeterde prestatie, in combinatie met de vorm van de vezel, mogelijkheden kunnen openen voor detectieapparatuur.

“Over het algemeen is dit een geleidend raamwerk dat we kunnen gebruiken om andere componenten te construeren,” zei Cheng. “Zolang de vezel geleidend is, kunnen we hem als steiger gebruiken en daarna veel aanpassingen aan het oppervlak doen om een ​​aantal sensoren mogelijk te maken, zoals een glucosesensor op de huid of een infectiedetector voor wonden.”

Het variëren van de laserscansnelheid, dichtheid en doorgangen voor de LIG die met verschillende vermogens is gevormd, had ook invloed op de geleidbaarheid en de daaropvolgende prestaties. Meer laserblootstelling resulteerde in een hogere geleidbaarheid, maar daalde uiteindelijk als gevolg van overmatige carbonisatie door verbranding.

Demonstratie van een goedkope LIG-sensor

Met de vorige studie als basis, gingen Cheng en het team aan de slag om een ​​flexibele LIG-druksensor te ontwerpen, te fabriceren en te testen. Ze rapporteerden hun resultaten in WETENSCHAP CHINA Technologische wetenschappen.

“Druksensoren zijn erg belangrijk,” zei Cheng. “We kunnen ze niet alleen in huishoudens en productie gebruiken, maar ook op het huidoppervlak om veel signalen van het menselijk lichaam te meten, zoals de pols. Ze kunnen ook worden gebruikt op de mens-machine-interface om de prestaties van prothetische ledematen of monitoren te verbeteren hun bevestigingspunten.”

Het team testte twee ontwerpen. Voor de eerste plaatsten ze een dunne LIG-schuimlaag tussen twee polyimidelagen met koperen elektroden. Wanneer er druk werd uitgeoefend, wekte de LIG elektriciteit op. De holtes in het schuim verminderden het aantal paden voor elektriciteit om te reizen, waardoor het gemakkelijker werd om de drukbron te lokaliseren en leek de gevoeligheid voor delicate aanrakingen te verbeteren.

Dit eerste ontwerp, bevestigd aan de rug van de hand of de vinger, detecteerde buigende en strekkende handbewegingen, evenals de karakteristieke percussie-, vloed- en diastolische golven van de hartslag. Volgens Cheng zou deze hartslagmeting kunnen worden gecombineerd met een elektrocardiogrammeting om bloeddrukmetingen zonder manchet te verkrijgen.

In het tweede ontwerp verwerkten de onderzoekers nanodeeltjes in het LIG-schuim. Deze kleine bolletjes molybdeendisulfide, een halfgeleider die als geleider en isolator kan werken, verbeterden de gevoeligheid en weerstand van het schuim tegen fysieke krachten. Dit ontwerp was ook bestand tegen herhaald gebruik en vertoonde bijna identieke prestaties voor en na bijna 10.000 gebruik.

Beide ontwerpen waren volgens Cheng kosteneffectief en lieten een eenvoudige data-acquisitie toe.

De onderzoekers zijn van plan om door te gaan met het verkennen van de ontwerpen als op zichzelf staande apparaten voor gezondheidsmonitoring of in combinatie met andere bestaande apparatuur.