Laser-Geïnduceerde Grafene: Wearable Gezondheidstechnologie Revolutioneren

Grafene — hexagonaal gerangschikte koolstofatomen in een enkele laag met superieure buigzaamheid en hoge geleidbaarheid — kan de ontwikkeling van toekomstige bewegingsdetectie, tastzintuiging en gezondheidsmonitoring apparaten beïnvloeden.

Verschillende stoffen kunnen in koolstof geconverteerd worden om grafene te creëren door laserstraling. Laser-geïnduceerde grafene (LIG) genoemd, kan het resulterende product specifieke eigenschappen hebben bepaald door het oorspronkelijke materiaal. Monsters van polyimide, een type kunststof, werden bestraald door laserscannen. Onderzoekers varieerden de vermogens, scansnelheid, aantal passes en dichtheid van scanlijnen om te zien hoe verschillende parameters van het laserverwerkingsproces verschillende nano-structuren creëren.

De onderzoekers vonden dat lagere vermogensniveaus, van 7,2 watt tot ongeveer 9 watt, resulteerden in de formatie van een poreuze schuim met veel ultra-fijne lagen. Deze LIG-schuim toonde elektrische geleidbaarheid en een redelijke weerstand tegen hitteschade — beide eigenschappen die nuttig zijn in componenten van elektronische apparaten.

Het verhogen van het vermogen van ongeveer 9 watt tot 12,6 watt veranderde het LIG-formatiepatroon van schuim naar bundels van kleine vezels. Deze bundels groeiden in diameter met verhoogd laservermogen, terwijl hoger vermogen de web-achtige groei van een vezelnetwerk promoveerde. De vezelstructuur toonde betere elektrische geleidbaarheid dan de schuim. Deze verhoogde prestatie, gecombineerd met de vezelvorm, kan mogelijkheden openen voor sensortoepassingen. Zolang de vezel geleidend is, kan het als een scaffold gebruikt worden; daaropvolgende modificaties aan het oppervlak kunnen een aantal sensoren mogelijk maken zoals een glucosesensor op de huid of een infectiedetector voor wonden.

Het variëren van de laserscansnelheid, dichtheid en passes voor de LIG gevormd bij verschillende vermogens beïnvloedde ook de geleidbaarheid en daaropvolgende prestaties. Meer laserblootstelling resulteerde in hogere geleidbaarheid maar daalde uiteindelijk door overmatige koolstofvorming door verbranden.

Het team ontwierp, fabriceerde en testte een flexibele LIG-druksensor. Voor het eerste ontwerp lieten ze een dunne LIG-schuimlaag tussen twee polyimidelagen met koperen elektroden ingesloten. Toen druk werd toegepast, genereerde de LIG elektriciteit. De gaten in de schuim reduceerden het aantal paden voor elektriciteit om te reizen, wat het makkelijker maakte om de drukbron te lokaliseren, en leek de gevoeligheid voor delicieuze aanrakingen te verbeteren.

Dit ontwerp, wanneer aan de achterkant van de hand of de vinger bevestigd, detecteerde buig- en rekbewegingen van de hand alsook de karakteristieke percussie, getij- en diastolische golven van de hartslag. Deze polsmeting kon gecombineerd worden met een electrocardiogram-meting om bloeddrukmetingen zonder manchet te verkrijgen.

In het tweede ontwerp incorporerden de onderzoekers nanopartikels in de LIG-schuim. Deze kleine bolletjes van molybdeen-disulfide, een halfgeleider die als geleider en isolator kan fungeren, versterkten de gevoeligheid van de schuim en de weerstand tegen fysieke krachten. Dit ontwerp was ook veerkrachtig bij herhaald gebruik, met vrijwel identieke prestaties voor en na bijna 10.000 gebruiksmomenten.