Tetris en la manga: material permeable a los gases para dispositivos electrónicos portátiles

La electrónica portátil se ha convertido en una parte integral de la vida de muchas personas modernas. Desde pulseras de fitness y relojes inteligentes hasta gafas de realidad aumentada y camisas inteligentes: la gama de dispositivos existentes va desde obviamente útil hasta divertida futurista. Sin embargo, cuando se trata de algo "ponible", además de la funcionalidad, debe pensar en la comodidad. Científicos de la Universidad de Carolina del Norte (EE. UU.) Han desarrollado un nuevo material permeable a los gases para la electrónica portátil, es decir. capaz de respirar ¿Qué técnicas se utilizaron para crear el nuevo material, cuáles son las propiedades del prototipo obtenido y cuánto más cómodo será usar la electrónica en sí mismo? Aprendemos sobre esto del informe de los científicos. Vamos.

Base de estudio

Cualquier cosa que usemos en nosotros mismos es más o menos permeable a los gases. Esto se debe a la necesidad de cumplir con nuestra fisiología. La piel humana es un elemento importante del sistema excretor del cuerpo, que proporciona la producción de productos metabólicos a través del sudor. Por lo tanto, bloquear la ejecución de esta función utilizando materiales completamente "sellados" no es una buena idea en la vida cotidiana (la ropa y los equipos especializados no cuentan).

En cuanto a la electrónica portátil, pero con su desarrollo y transformación de pulseras ordinarias a elementos de vestuario casi completos, los científicos comenzaron a pensar no solo en las propiedades físicas de los materiales utilizados, lo cual es importante para realizar las funciones del dispositivo directamente, sino también en las propiedades que contribuyen a la comodidad del usuario.

La mayoría de los dispositivos portátiles modernos, como señalan los propios investigadores, se fabrican sobre la base de sustratos de polímeros sólidos, como el polidimetilsiloxano (PDMS), el tereftalato de polietileno (PET) y la poliimida (PI). En este trabajo, los científicos describen un nuevo material que posee no solo una buena conductividad y flexibilidad, como en los precursores anteriores, sino también una buena permeabilidad a los gases.

Ya ha habido intentos de crear algo similar, pero todos enfrentaron ciertas dificultades durante la producción o limitaciones de uso.

Por ejemplo, un material ultra delgado a base de alcohol polivinílico (PVA) se ha desarrollado relativamente recientemente. La permeabilidad al gas de este material fue excelente, pero la producción fue extremadamente difícil. En otras palabras, el juego no vale la pena.

También hay un desarrollo en nanocables de plata (AgNW). Esta opción proporcionó una alta estabilidad eléctrica, sin embargo, los nanocables descubiertos limitaron el plazo de estabilidad a largo plazo.

Otro material único fue la esponja PDMS (polidimetilsiloxano) basada en matrices de azúcar. Los problemas eran los tamaños de partícula limitados del azúcar, lo que dificultaba la obtención de estructuras microporosas. Además, este método no puede usarse para la fabricación de películas ultrafinas.

Recordando los prototipos descritos anteriormente, los científicos quieren decir que crear material realmente bueno que combine todas las propiedades necesarias, a la vez que es fácil de fabricar, es bastante difícil. Sin embargo, según ellos, lo hicieron.

Decidieron no reinventar la rueda, sino combinar los desarrollos existentes, eliminando simultáneamente sus defectos. Como resultado, se obtuvo una película conductora de tracción (es decir, flexible) incorporando AgNW directamente debajo de la superficie de una película de poliuretano termoplástico poroso (TPU o TPU) hecha por evaporación.

El método de evaporación es un proceso de autoensamblaje simple, eficiente y escalable para la fabricación de películas de polímeros porosos sin la necesidad de pasos complejos como la fotolitografía, la evaporación al vacío y el grabado.

Resultados de la investigacion

Imagen No. 1

En la imagen 1a muestra un diagrama del proceso de fabricación del prototipo. Se produjo una película de poliuretano termoplástico poroso (TPU) por el método de evaporación, después de lo cual se introdujeron AgNW (nanocables de plata) en la superficie mediante prensado térmico.

En el proceso de evaporación, el papel del solvente fue jugado por el tetrahidrofurano (THF). Además, se añadió una pequeña cantidad de polietilenglicol (PEG) (TPU: PEG = 10: 1 en peso) a la solución para facilitar el ensamblaje ordenado de las gotas de agua.

La evaporación del solvente orgánico enfrió el sustrato. A su vez, la humedad se condensa en el sustrato y se acumula por sí sola en eliminadores de gotas.

Los científicos señalan que, en circunstancias normales, se debe evitar la unión de gotas, lo que puede conducir a la formación de estructuras desordenadas. Sin embargo, en este trabajo, el acercamiento de las gotas promovió la formación de estructuras porosas.

Como se muestra en 1b, el tamaño de poro se puede controlar cambiando la concentración de la solución. Una concentración más alta (2% en peso de TPU + 0.2% en peso de PEG) resultó en un tamaño de poro más pequeño y una estructura de poro más regular, pero un mayor porcentaje de poros tapados (es decir, poros que no cumplen su función debido a su ubicación). Por otro lado, cuando la concentración era demasiado baja (1% en peso de TPU + 0.1% en peso de PEG), la estructura resultante tendía a ser más irregular con un diámetro de poro de más de 100 μm. Tales poros grandes se pueden ver a simple vista y limitan la resolución de los electrodos.

Después de varios intentos, se encontró que la concentración óptima de la solución es 1.5% en peso de TPU y 0.15% en peso de PEG. Como resultado, se obtuvo una estructura porosa uniforme ( 1b y 1e) La forma de los poros era cercana a la redonda con un diámetro de ~ 40 μm, y el coeficiente de cobertura de la superficie era de aproximadamente el 39% ( 1e y 1f ).

Los AgNW se incrustaron en una película de TPU porosa por inmersión en una solución de AgNW y agua. Es importante destacar que el tamaño de poro era mucho mayor que la longitud de AgNW (~ 20 μm). La microscopía ( 1c ) de la película porosa de AgNW / TPU mostró que AgNW se depositaba uniformemente en la superficie de la TPU sin bloquear los poros.

Los AgNW en la superficie de las películas de TPU se separan con bastante facilidad, por lo tanto, fue necesario realizar un tratamiento térmico para resolver este problema. El punto de fusión de TPU es de aproximadamente 130 ° C; por lo tanto, se decidió utilizar una temperatura de 150 ° C para el prensado térmico.

En la imagen 1d2Se puede ver que después de la prensa de calor, la mayoría de los AgNW se incrustaron directamente dentro del TPU, y solo una pequeña parte quedó expuesta en la superficie. Este tratamiento también redujo el espesor de la película de 6,8 μm a 4,6 μm.


Imagen n. ° 2 La

imagen 2a muestra una imagen óptica de una película porosa de HP-AgNW / TPU (HP - después del tratamiento térmico). Gráfico 2bmuestra la resistencia de la película en función del número de ciclos de inmersión (es decir, el número de ciclos de incorporación de AgNW). La resistencia disminuyó solo después de los primeros cuatro ciclos, después de lo cual permaneció estable, alcanzando aproximadamente 14.5 Ohm / sq (Ohm por cuadrado). Por lo tanto, en el proceso de fabricación de la película se utilizó 4 ciclos de aplicación. El tratamiento de prensado térmico redujo aún más la resistencia, lo que puede explicarse por el contacto mejorado en los compuestos de AgNW causado por la presión y el recocido térmico. Por ejemplo, después del tratamiento térmico, la resistencia de la película disminuyó a 7.3 Ohm / sq.

La estructura porosa de la película conduce a un aumento de la transparencia óptica en comparación con una película sólida. La transmitancia óptica fue del 72% a 550 nm para una película de TPU porosa ( 2c) y disminuyó al 63% después del recubrimiento con AgNW. La transmitancia se redujo aún más al 61% después del prensado térmico debido al ancho ligeramente aumentado de la película de TPU.

Luego, la transmisión de vapor de agua se estimó con base en ASTM E96. Como se esperaba, una película de TPU porosa exhibe permeabilidad al vapor significativamente mejorada en comparación con una película sin una estructura porosa ( 2d ). La velocidad de transmisión del vapor de agua fue: 2 mg / cm ² h ^-1 para película de TPU sólida; 38 mg / cm ² h ^-1 para una película de TPU porosa; 36 mg / cm ² h ^-1 para AgNW / TPU poroso y 23 mg / cm ² h ^-1para HP-AgNW / TPU poroso.

Los investigadores han sugerido que el aumento de la permeabilidad al vapor también mejora la resistencia al desgaste del material. Para probar esta hipótesis, se realizó una prueba de desgaste a largo plazo cuando se usó una película sobre la piel. Después de 7 días de uso en la piel de una persona, no hubo reacciones alérgicas ni acumulación de sudor. No se observó diferencia entre el área de la piel que estaba cubierta con la película y el área alrededor del área de contacto.

Es obvio que la estructura porosa permite que el sudor y la humedad penetren en la película, reduce la probabilidad de irritación de la piel y mejora la comodidad y la resistencia al desgaste.

Además, las películas se sumergieron en solución salina para demostrar la estabilidad a largo plazo en contacto con el sudor ( 2e) Después de 100 horas, la resistencia de las películas porosas de AgNW / TPU y HP-AgNW / TPU aumentó en un 60% y 15%, respectivamente.

Se realizaron pruebas de pelado entre la película y la cinta adhesiva ( 2f ) y entre la película y la piel. La Figura 2f también muestra que la película AgNW / TPU se puede despegar fácilmente con cinta (la imagen de la derecha muestra que AgNW se transfiere a cinta adhesiva), mientras que la película HP-AgNW / TPU es mucho más estable.

Además, la película AgNW / TPU perdió conductividad después de la prueba de pelado, mientras que la película HP-AgNW / TPU retuvo conductividad.

Después de quitar la película de AgNW / TPU de la piel, todavía quedaban algunos AgNW en la piel. Pero una prueba similar con una película HP-Ag NW / TPU mostró que no había partículas de AgNW en la piel.

Se deduce que el tratamiento térmico puede mejorar efectivamente la conductividad y la estabilidad de la película durante el uso prolongado.

Al incorporar AgNW debajo de la superficie de la película de TPU, la película porosa HP-AgNW / TPU resultante mostró una adhesión significativamente mejorada entre AgNW y TPU y, por lo tanto, estabilidad, con una reducción aceptable en la transmisión óptica y la permeabilidad al vapor.

Vale la pena señalar que la película HP-AgNW / TPU no solo es conductora en la superficie, sino también en la dirección del grosor. Los lados superior e inferior de la película son conductores de electricidad, mientras que también están conectados por nanocables de plata en el borde de los poros a través del grosor. Por lo tanto, la película actúa como un material conductor a granel, pero no requiere una gran cantidad de cargas conductoras, lo que puede causar el deterioro de las propiedades mecánicas.


Prueba con LED.

Para demostrar esta propiedad, la película se conectó a un circuito LED y se usó como un conductor de dos lados. Se aplicaron dos gotas de metal líquido en dos lados de la película para conectar con el LED. Un LED encendido indica que ambos lados de la película son eléctricamente conductores y están conectados.


Imagen No. 3

Debido a sus propiedades físicas, la película HP-AgNW / TPU puede tomar una variedad de formas mediante corte por láser. Las imágenes 3a muestran un electrodo de película estructurado en una estructura serpentina filamentosa con un ancho de línea de 0,5 mm. En este caso, la película permanece ultradelgada, lo que garantiza un contacto cercano con la piel.


El procedimiento para aplicar la película HP-AgNW / TPU a la piel.

La película se restaura completamente después de la compresión, torsión y otras deformaciones que pueden ocurrir con ella mientras está sobre la piel. Si es necesario, la película HP-AgNW / TPU se puede quitar de la piel con cinta adhesiva y reutilizarse.


Procedimiento de eliminación de HP-AgNW / TPU con cinta adhesiva simple.

El gráfico 3b muestra la dinámica de la resistencia dependiendo del estiramiento de la película. Con una tensión del 5% en la película, la resistencia se duplicó. Al eliminar cualquier voltaje (deformación), la resistencia cayó un 10%. En los ciclos posteriores, donde el estiramiento de la película y su estado normal alternaban, la resistencia casi siempre se mantuvo constante y reversible.

Si la deformación fue del 10% y del 15%, entonces la resistencia aumentó aproximadamente 4 y 7 veces, respectivamente, en comparación con el valor inicial. A pesar de tales fluctuaciones significativas, se observó una tendencia interesante: en cada nivel de deformación, la película se puede "programar" durante el primer estiramiento, después de lo cual la resistencia cambiará reversiblemente dentro del rango determinado por el primer estiramiento. En otras palabras, es el primer ciclo de deformación que juega el papel más importante, lo que establece el "ritmo" de cambio de resistencia para los ciclos posteriores.

Como resultado, después de 1000 ciclos de deformación (10%), la resistencia aumentó en menos del 7%. Esta prueba también mostró que la película es realmente muy flexible. Entonces, cuando la película se dobló a una curvatura de 0.55 mm-1, la resistencia aumentó solo 0.8% ( 3s) Y después de 10,000 ciclos de flexión, la resistencia aumentó en 0.7% ( 3d ). La película HP-AgNW / TPU conserva su conductividad hasta un 45% de deformación. Y la destrucción de la película ocurre solo con una deformación del 350%.

Los científicos señalan que su desarrollo es excelente para el monitoreo continuo de señales electrofisiológicas. Un ECG se usa comúnmente para diagnosticar trastornos del ritmo cardíaco, mientras que un EMG se puede usar para analizar los niveles de estimulación, neuropatía muscular y comportamiento motor.

En las mediciones de ECG y EMG (electrocardiografía y electromiografía), el contacto conforme y la baja impedancia de los electrodos de la piel son cruciales para obtener una alta relación señal-ruido, es decir. para obtener la información más precisa.

Para evaluar el contacto entre los electrodos porosos HP-AgNW / TPU y la piel, utilizamos cuero artificial hecho de Exoflex, que es casi idéntico a la piel humana y tiene el mismo módulo de Young.


Imagen No. 4 La

imagen 4a muestra el electrodo después de la transferencia a la piel artificial. La microscopía muestra claramente que el electrodo ultrafino formó un contacto conforme (cercano) con la piel.

La resistencia compleja de los electrodos porosos HP-AgNW / TPU iniciales y expandidos fue solo ligeramente superior a la de los electrodos de gel comerciales Ag / AgCl ( 4d), y más bajo que el de una película sólida de AgNW / PDMS (0.2 mm de espesor). Esto se debe a la calidad del contacto de la película con la piel. El grosor más pequeño y la mayor flexibilidad de la película HP-AgNW / TPU reducen la rigidez a la flexión, lo que da como resultado un contacto más conforme que la película sólida AgNW / PDMS.

Además, las señales de ECG y EMG obtenidas usando electrodos porosos HP-AgNW / TPU se compararon con las señales obtenidas usando electrodos de gel Ag / AgCl comerciales ( 4e y 4f ). La ubicación de los electrodos para las pruebas de ECG y EMG se muestra en 4b y 4c, respectivamente.

En el caso de los ECG, los electrodos porosos HP-AgNW / TPU proporcionaron señales comparables en calidad a los electrodos de gel. La SNR (relación señal / ruido) medida para el ECG por los electrodos porosos HP-AgNW / TPU fue de 7.0 dB, que es comparable a los electrodos de gel (7.1 dB).

En el caso de movimiento constante, la calidad de la señal se deterioró y el valor de SNR cayó a 6.3 dB para electrodos porosos y 6.2 dB.

Debido a EMG, se pueden distinguir claramente las señales correspondientes a la contracción muscular para diferentes fuerzas de agarre. Es de destacar que la señal de los electrodos porosos HP-AgNW / TPU fue más débil que la de los electrodos de gel, pero esto se debió a la diferente disposición de los electrodos de dos tipos (los electrodos de ambos tipos se usaron simultáneamente). El valor de SNR para EMG con electrodos porosos fue de 24.9 dB, que es comparable a la SNR para electrodos de gel (25.9 dB).

Vale la pena señalar que los electrodos porosos, a diferencia de los electrodos de gel comerciales, no necesitan un gel conductor. La falta de gel durante la recopilación de datos mejora su calidad porque no existe un factor como la degradación del gel. Teniendo en cuenta la permeabilidad a los gases de la película desarrollada, estos experimentos ilustran adicionalmente la posibilidad de usar electrodos porosos HP-AgNW / TPU para el monitoreo continuo a largo plazo de la condición humana.

La piel humana no es el único lugar donde se pueden colocar los electrodos desarrollados. La segunda opción son los textiles.


Imagen No. 5 La

imagen 5a muestra un diagrama de un sensor táctil capacitivo. En 5b muestra el valor de capacitancia cuando se toca y se presiona el sensor.

Además, la sensibilidad del sistema de sensor táctil se define como la tasa de cambio del valor de lectura cuando se produce un toque. En este sistema, la sensibilidad fue del 86%. La estabilidad, a su vez, se define como la varianza de las lecturas del sensor táctil, que es aproximadamente 1,65. La relación señal / ruido fue de 35: 1, y el tiempo de respuesta fue inferior a 0.1 s.

Para ensamblar el sistema de sensores táctiles inalámbricos ( 5c ), se integró una pieza de película HP-AgNW / TPU de 50x100 mm en una funda de tela y se mostró como cuatro botones táctiles mediante corte por láser. Cada uno de los botones tenía su propia función: izquierda, abajo, rotación y derecha.


Tetris en la manga.

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos y materiales adicionales .

Epílogo

La tecnología moderna se ha asociado durante mucho tiempo no solo con la funcionalidad, sino también con la comodidad de uso. La electrónica portátil no es una excepción. La mayoría de los materiales modernos utilizados para la producción de dispositivos portátiles cumplen perfectamente sus funciones básicas, pero carecen de algunos detalles pequeños, pero tan importantes. Uno de esos detalles es la permeabilidad a los gases, que proporciona transpiración libre en caso de uso prolongado de cualquier dispositivo en la piel.

La película desarrollada HP-AgNW / TPU tiene muchos poros ordenados. Tal diseño no afectó en gran medida las propiedades físicas de la película, al tiempo que conserva la capacidad de realizar completamente las tareas principales.

Durante el estudio, se crearon varios prototipos, que demuestran la gama de aplicaciones de HP-AgNW / TPU. El primer prototipo tenía como objetivo recopilar información importante sobre el estado de salud del usuario. El segundo es el uso casi humorístico de la película HP-AgNW / TPU para crear un gamepad inalámbrico Tetris. En ambos casos, los prototipos mostraron excelentes resultados, y la película porosa en sus características y rendimiento fue comparable a las opciones comerciales utilizadas actualmente.

En el futuro, los investigadores tienen la intención de continuar su trabajo en materiales permeables a los gases, ya que creen que el uso de cualquier dispositivo portátil debería ser cómodo. Bueno, no puedes discutir con eso.

Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana laboral, muchachos. :)

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