Γραφένιο κατασκευασμένο με λέιζερ για φορητές συσκευές υγείας

 

by Gabrielle Stewart, Pennsylvania State University

Το γραφένιο - ένα ενιαίο στρώμα ατόμων άνθρακα σε διάταξη εξαγώνου, με ανώτερη ευκαμψία και υψηλή αγωγιμότητα - μπορεί να προάγει τα εύκαμπτα ηλεκτρονικά σύμφωνα με μια διεθνή ερευνητική ομάδα υπό την ηγεσία του Penn State.

Ο Huanyu "Larry" Cheng, Career Development Professor στο Dorothy Quiggle στο Τμήμα Μηχανολογίας και Μηχανικής (ESM) του Penn State, είναι επικεφαλής της συνεργασίας, η οποία δημοσίευσε πρόσφατα δύο μελέτες που μπορούν να συνεισφέρουν στην έρευνα και την ανάπτυξη μελλοντικών συσκευών για ανίχνευση κίνησης, αφής και για την παρακολούθηση της υγείας.

Διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο η επεξεργασία με λέιζερ επηρεάζει τη μορφή και τη λειτουργία του γραφενίου

Διάφορες ουσίες μπορούν να μετατραπούν σε άνθρακα έρτσι ώστε να δημιουργηθεί γραφένιο, μέσω ακτινοβολίας λέιζερ. Το παραγόμενο προϊόν που ονομάζεται γραφένιο επαγόμενο με λέιζερ (LIG) μπορεί να έχει συγκεκριμένες ιδιότητες που καθορίζονται από το αρχικό υλικό. Η ομάδα δοκίμασε αυτή τη διαδικασία και δημοσίευσε τα αποτελέσματά της στο "SCIENCE CHINA Technological Sciences".

Δείγματα από πολυαμίδιο, ένα είδος πλαστικού, ακτινοβολήθηκαν μέσω σάρωσης με λέιζερ. Οι ερευνητές διαφοροποίησαν την ισχύ, την ταχύτητα σάρωσης, τον αριθμό των περασμάτων και την πυκνότητα των γραμμών σάρωσης.

«Θέλαμε να εξετάσουμε πώς οι διαφορετικές παράμετροι της διαδικασίας επεξεργασίας με λέιζερ δημιουργούν διαφορετικές νανοδομές», δήλωσε ο Cheng. «Η μεταβολή της ισχύος μας επέτρεψε να δημιουργήσουμε γραφένιο από λέιζερ (LIG) σε δομή ινών ή σε δομή αφρού».

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα χαμηλότερα επίπεδα ισχύος, από 7,2 watt έως περίπου 9 watt, οδήγησαν στο σχηματισμό ενός πορώδους αφρού με πολλά υπερλεπτά στρώματα. Αυτός ο αφρός γραφενίου από λέιζερ (LIG) παρουσίασε ηλεκτρική αγωγιμότητα και ικανοποιητική αντοχή στην θερμική αλλοίωση - και οι δύο αυτές ιδιότητες είναι χρήσιμες για τα εξαρτήματα των ηλεκτρονικών συσκευών.

Η αύξηση της ισχύος από περίπου 9 watts σε 12,6 watts άλλαξε το μοτίβο σχηματισμού γραφενίου (LIG) από αφρό σε δέσμες μικρών ινών. Αυτές οι δέσμες μεγάλωναν σε διάμετρο όσο αυξανόταν η ισχύς του λέιζερ, ενώ η υψηλότερη ισχύς προωθούσε την ανάπτυξη ενός δικτύου ινών που έμοιαζε με ιστό. Η ινώδης δομή παρουσίασε καλύτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα από τον αφρό. Σύμφωνα με τον Cheng, αυτή η αυξημένη απόδοση σε συνδυασμό με τη μορφή της ίνας θα μπορούσε να διευρύνει τις δυνατότητες των συσκευών ανίχνευσης.

«Σε γενικές γραμμές, αυτό είναι ένα αγώγιμο πλαίσιο που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για την κατασκευή άλλων εξαρτημάτων», δήλωσε ο Cheng. «Εφόσον η ίνα είναι αγώγιμη, μπορούμε να τη χρησιμοποιήσουμε ως ικρίωμα και να κάνουμε πολλές μεταγενέστερες τροποποιήσεις στην επιφάνεια για να ενεργοποιήσουμε έναν αριθμό αισθητήρων, όπως έναν αισθητήρα γλυκόζης στο δέρμα ή έναν ανιχνευτή μόλυνσης για πληγές».

Η μεταβολή της ταχύτητας σάρωσης με λέιζερ, της πυκνότητας και των περασμάτων για το γραφένιο (LIG) που σχηματίστηκε σε διαφορετικά επίπεδα ισχύος επηρέασε επίσης την αγωγιμότητα και την επακόλουθη απόδοση. Η μεγαλύτερη έκθεση στο λέιζερ είχε ως αποτέλεσμα υψηλότερη αγωγιμότητα, αλλά τελικά μειώθηκε λόγω της υπερβολικής απανθράκωσης από την καύση.

Επίδειξη αισθητήρα γραφενίου (LIG) χαμηλού κόστους

Χρησιμοποιώντας την προηγούμενη μελέτη ως βάση, ο Cheng και η ομάδα του ξεκίνησαν να σχεδιάζουν, να κατασκευάζουν και να δοκιμάζουν έναν εύκαμπτο αισθητήρα πίεσης γραφενίου (LIG). Ανέφεραν τα αποτελέσματά τους στο "SCIENCE CHINA Technological Sciences".

«Οι αισθητήρες πίεσης είναι πολύ σημαντικοί», δήλωσε ο Cheng. «Μπορούμε να τους χρησιμοποιήσουμε όχι μόνο στα νοικοκυριά και στα κατασεκυαστικά, αλλά και στην επιφάνεια του δέρματος για να μετρήσουμε πολλά σήματα από το ανθρώπινο σώμα, όπως ο σφυγμός. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν στη διεπαφή ανθρώπου-μηχανής για την ενίσχυση της απόδοσης των προσθετικών άκρων ή την παρακολούθηση των σημείων πρόσδεσής τους».

Η ομάδα δοκίμασε δύο σχέδια. 

Για το πρώτο, τοποθέτησαν ένα λεπτό στρώμα αφρού γραφενίου (LIG) ανάμεσα σε δύο στρώματα πολυαμιδίου που περιείχαν ηλεκτρόδια χαλκού. Όταν ασκήθηκε πίεση, το γραφένιο (LIG) παρήγαγε ηλεκτρική ενέργεια. Τα κενά στον αφρό μείωσαν τον αριθμό των διαδρόμων για να ταξιδέψει ο ηλεκτρισμός, καθιστώντας ευκολότερο τον εντοπισμό της πηγής πίεσης, και φάνηκε να βελτιώνουν την ευαισθησία σε λεπτά αγγίγματα.

Αυτό το πρώτο σχέδιο, όταν συνδεόταν στο πίσω μέρος του χεριού ή στο δάχτυλο, ανίχνευε τις κινήσεις κάμψης και τεντώματος του χεριού - καθώς και τα χαρακτηριστικά κρουστικά, παλινδρομικά και διαστολικά κύματα του καρδιακού παλμού. Σύμφωνα με τον Cheng, αυτή η μέτρηση του σφυγμού θα μπορούσε να συνδυαστεί με μια μέτρηση του ηλεκτροκαρδιογραφήματος για να προκύψουν μετρήσεις της αρτηριακής πίεσης χωρίς περιχειρίδα.

Στο δεύτερο σχέδιο, οι ερευνητές ενσωμάτωσαν νανοσωματίδια στον αφρό γραφενίου (LIG). Αυτές οι μικροσκοπικές σφαίρες δισουλφιδίου του μολυβδαινίου, ενός ημιαγωγού που μπορεί να λειτουργήσει ως αγωγός και μονωτής, αύξησαν την ευαισθησία και την αντίσταση του αφρού στις φυσικές δυνάμεις. Αυτός ο σχεδιασμός ήταν επίσης ανθεκτικός στην επαναλαμβανόμενη χρήση, παρουσιάζοντας σχεδόν πανομοιότυπες επιδόσεις πριν και μετά από σχεδόν 10.000 χρήσεις.

Σύμφωνα με τον Cheng, και τα δύο σχέδια ήταν οικονομικώς αποδοτικά και επέτρεπαν την απλή απόκτηση δεδομένων.

Οι ερευνητές σκοπεύουν να συνεχίσουν να εξετάζουν τα σχέδια ως αυτόνομες συσκευές για την παρακολούθηση της υγείας ή σε συνδυασμό με άλλο υπάρχοντα εξοπλισμό.