Zeer geleidend en elastisch nanomembraan voor huidelektronica

“Skin-elektronica” is dunne, flexibele elektronica die op de huid kan worden gemonteerd. Hoewel het misschien klinkt als iets uit sciencefiction, wordt verwacht dat dergelijke apparaten binnenkort zullen dienen in een breed scala aan toepassingen, zoals gezondheidsmonitoring, gezondheidsdiagnose, virtual reality en mens-machine-interface.

Het maken van dergelijke apparaten vereist componenten die zacht en rekbaar zijn om mechanisch compatibel te zijn met de menselijke huid. Een van de vitale componenten van huidelektronica is een intrinsiek rekbare geleider die elektrische signalen tussen apparaten doorgeeft. Voor een betrouwbare werking en hoogwaardige prestaties is een rekbare geleider vereist met een ultradunne dikte, metaalachtige geleidbaarheid, hoge rekbaarheid en gemakkelijke patroonbaarheid. Ondanks uitgebreid onderzoek was het nog niet mogelijk om een ​​materiaal te ontwikkelen dat al deze eigenschappen tegelijk bezit, omdat ze vaak compromissen met elkaar hebben.

Onder leiding van professor Hyeon Taeghwan en Kim Dae-Hyeong onthulden onderzoekers van het Center for Nanoparticle Research binnen het Institute for Basic Science (IBS) in Seoul, Zuid-Korea een nieuwe methode om een ​​composietmateriaal te fabriceren in de vorm van nanomembraan, dat wordt geleverd met alle bovengenoemde eigenschappen. Het nieuwe composietmateriaal bestaat uit metalen nanodraden die stevig zijn verpakt in een monolaag in ultradunne rubberfilm.

Dit nieuwe materiaal is gemaakt met behulp van een proces dat het team ontwikkelde, een ‘float-assemblagemethode’. De vlotterconstructie maakt gebruik van het Marangoni-effect, dat optreedt in twee vloeibare fasen met verschillende oppervlaktespanningen. Wanneer er een gradiënt in oppervlaktespanning is, wordt een Marangoni-stroom gegenereerd weg van het gebied met lagere oppervlaktespanning naar het gebied met hogere oppervlaktespanning. Dit betekent dat het laten vallen van een vloeistof met een lagere oppervlaktespanning op een wateroppervlak de oppervlaktespanning plaatselijk verlaagt, en de resulterende Marangoni-stroom zorgt ervoor dat de gedruppelde vloeistof zich dun over het wateroppervlak verspreidt.

Het nanomembraan wordt gemaakt met behulp van een float-assemblagemethode die bestaat uit een proces in drie stappen. De eerste stap omvat het laten vallen van een composietoplossing, een mengsel van metalen nanodraden, rubber opgelost in tolueen en ethanol, op het wateroppervlak. De tolueen-rubberfase blijft door zijn hydrofobe eigenschap boven het water, terwijl de nanodraden op het grensvlak tussen de water- en tolueenfase terechtkomen. De ethanol in de oplossing vermengt zich met het water om de lokale oppervlaktespanning te verlagen, wat een Marangoni-stroom genereert die zich naar buiten voortplant en de aggregatie van de nanodraden voorkomt. Dit assembleert de nanomaterialen tot een monolaag op het grensvlak tussen water en een zeer dunne rubber/oplosmiddelfilm. In de tweede stap wordt de oppervlakteactieve stof gedropt om een ​​tweede golf van Marangoni-stroom te genereren die de nanodraden stevig samendrukt. Ten slotte wordt in de derde stap het tolueen verdampt en ontstaat een nanomembraan met een unieke structuur waarin een sterk verdichte monolaag van nanodraden gedeeltelijk is ingebed in een ultradunne rubberfilm.

De unieke structuur zorgt voor een efficiënte spanningsverdeling in ultradunne rubberfilm, wat leidt tot uitstekende fysieke eigenschappen, zoals een rekbaarheid van meer dan 1.000% en een dikte van slechts 250 nm. De structuur maakt ook koud lassen en dubbellaags stapelen van het nanomembraan op elkaar mogelijk, wat leidt tot een metaalachtige geleidbaarheid van meer dan 100.000 S/cm. Bovendien toonden de onderzoekers aan dat het nanomembraan van een patroon kan worden voorzien met behulp van fotolithografie, een sleuteltechnologie die veel wordt gebruikt voor de productie van commerciële halfgeleiderapparaten en geavanceerde elektronica. Daarom wordt verwacht dat het nanomembraan kan dienen als een nieuw platformmateriaal voor huidelektronica.

De implicaties van deze studie kunnen veel verder gaan dan de ontwikkeling van huidelektronica. Hoewel deze studie een composietmateriaal toonde dat bestaat uit zilveren nanodraden in styreen-ethyleen-butyleen-styreen (SEBS) rubber, is het ook mogelijk om de float-assemblagemethode te gebruiken op verschillende nanomaterialen zoals magnetische nanomaterialen en halfgeleidende nanomaterialen, evenals andere soorten van elastomeren zoals TPU en SIS. Daarom wordt verwacht dat de float-assemblage nieuwe onderzoeksgebieden kan openen met verschillende soorten nanomembranen met verschillende functies.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap.