Grafeen gemaakt met lasers voor draagbare gezondheidsapparaten

Grafeen - hexagonaal gerangschikte koolstofatomen in een enkele laag met superieure buigzaamheid en hoge geleidbaarheid - zou van invloed kunnen zijn op de ontwikkeling van toekomstige apparaten voor bewegingsdetectie, tactiele detectie en gezondheidsbewaking.

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. Monsters van polyimide, een soort plastic, werden bestraald door middel van laserscanning. Onderzoekers varieerden het vermogen, de scansnelheid, het aantal passages en de dichtheid van scanlijnen om te zien hoe verschillende parameters van het laserverwerkingsproces verschillende nanostructuren creëren.

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. Deze verbeterde prestatie, in combinatie met de vorm van de vezel, zou mogelijkheden kunnen openen voor detectieapparatuur. Zolang de vezel geleidend is, kan deze als steiger worden gebruikt; latere aanpassingen 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 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.

Het team heeft een flexibele LIG-druksensor ontworpen, gefabriceerd en getest. Voor het eerste ontwerp 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 waar elektriciteit doorheen moet, waardoor het gemakkelijker werd om de drukbron te lokaliseren en de gevoeligheid voor delicate aanrakingen te verbeteren.

Dit ontwerp, bevestigd aan de rug van de hand of de vinger, detecteerde buigende en strekkende handbewegingen, evenals de karakteristieke percussie-, getij- en diastolische golven van de hartslag. Deze hartslagmeting kan 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 keer gebruik.