Tetris sur la manche: matériau perméable aux gaz pour l'électronique portable

L'électronique portable est devenue une partie intégrante de la vie de nombreuses personnes modernes. Des bracelets de fitness aux montres intelligentes en passant par les lunettes de réalité augmentée et les chemises intelligentes, la gamme d'appareils existants va de l'utile au futuriste. Néanmoins, quand il s'agit de quelque chose de «portable», en plus de la fonctionnalité, vous devez penser au confort. Des scientifiques de l'Université de Caroline du Nord (États-Unis) ont développé un nouveau matériau perméable aux gaz pour l'électronique portable, à savoir capable de respirer. Quelles techniques ont été utilisées pour créer le nouveau matériau, quelles sont les propriétés du prototype obtenu et dans quelle mesure sera-t-il plus confortable de porter de l'électronique sur lui-même? Nous en apprenons sur le rapport des scientifiques. Aller.

Base d'étude

Toute chose que nous portons sur nous-mêmes est plus ou moins perméable aux gaz. Cela est dû à la nécessité de se conformer à notre physiologie. La peau humaine est un élément important du système excréteur du corps, fournissant la production de produits métaboliques par la sueur. Par conséquent, bloquer l'exécution de cette fonction en utilisant des matériaux complètement «scellés» n'est pas une bonne idée dans la vie de tous les jours (les vêtements et équipements spécialisés ne comptent pas).

Quant à l'électronique portable, mais avec son développement et sa transformation de bracelets ordinaires en éléments de garde-robe à part entière, les scientifiques ont commencé à penser non seulement aux propriétés physiques des matériaux utilisés, qui sont importantes pour exécuter directement les fonctions de l'appareil, mais aussi aux propriétés qui contribuent au confort de l'utilisateur.

La plupart des gadgets portables modernes, comme le notent les chercheurs eux-mêmes, sont fabriqués à partir de substrats solides en polymère, tels que le polydiméthylsiloxane (PDMS), le polyéthylène téréphtalate (PET) et le polyimide (PI). Dans ce travail, les scientifiques décrivent un nouveau matériau qui possède non seulement une bonne conductivité et flexibilité, comme dans les précurseurs précédents, mais également une bonne perméabilité aux gaz.

Il y a déjà eu des tentatives pour créer quelque chose de similaire, mais tous ont rencontré certaines difficultés lors de la production ou des limitations d'utilisation.

Par exemple, un matériau ultra-mince à base d'alcool polyvinylique (PVA) a été développé relativement récemment. La perméabilité aux gaz de ce matériau était excellente, mais la production était extrêmement difficile. En d'autres termes, le jeu ne vaut pas la chandelle.

Il y a aussi un développement sur les nanofils d'argent (AgNW). Cette option offrait une stabilité électrique élevée, cependant, les nanofils nus limitaient la durée de stabilité à long terme.

Un autre matériau unique était une éponge PDMS (polydiméthylsiloxane) à base de matrices de sucre. Les problèmes étaient les tailles de particules de sucre limitées, ce qui rendait difficile l'obtention de structures microporeuses. De plus, cette méthode ne peut pas être utilisée pour la fabrication de films ultraminces.

Rappelant les prototypes décrits ci-dessus, les scientifiques veulent dire qu'il est assez difficile de créer un très bon matériau qui combine toutes les propriétés nécessaires, tout en étant facile à fabriquer. Cependant, selon eux, ils l'ont fait.

Ils ont décidé de ne pas réinventer la roue, mais de combiner les développements existants, en supprimant simultanément leurs lacunes. En conséquence, un film conducteur de traction (c'est-à-dire flexible) a été obtenu en incorporant AgNW directement sous la surface d'un film poreux en polyuréthane thermoplastique (TPU ou TPU) fabriqué par évaporation.

La méthode d'évaporation est un processus d'auto-assemblage simple, efficace et évolutif pour la fabrication de films polymères poreux sans nécessiter d'étapes complexes telles que la photolithographie, l'évaporation sous vide et la gravure.

Résultats de recherche

Image n ° 1

Sur l'image 1a montre un schéma du processus de fabrication du prototype. Un film poreux de polyuréthane thermoplastique (TPU) a été produit par la méthode d'évaporation, après quoi AgNW (nanofils d'argent) a été introduit dans la surface par pressage thermique.

Dans le processus d'évaporation, le tétrahydrofurane (THF) a joué le rôle du solvant. De plus, une petite quantité de polyéthylène glycol (PEG) (TPU: PEG = 10: 1 en poids) a été ajoutée à la solution pour faciliter l'assemblage ordonné des gouttelettes d'eau.

L'évaporation du solvant organique a refroidi le substrat. L'humidité se condense à son tour sur le substrat et s'accumule d'elle-même dans les éliminateurs de gouttelettes.

Les scientifiques notent que dans des circonstances normales, la liaison des gouttelettes doit être évitée, ce qui peut conduire à la formation de structures désordonnées. Cependant, dans ce travail, le rapprochement des gouttelettes a favorisé la formation de structures poreuses traversantes.

Comme indiqué dans 1b, la taille des pores peut être contrôlée en modifiant la concentration de la solution. Une concentration plus élevée (2% en poids de TPU + 0,2% en poids de PEG) a entraîné une taille de pore plus petite et une structure de pore plus régulière, mais un pourcentage plus élevé de pores bouchés (c'est-à-dire des pores qui ne remplissent pas leur rôle en raison de leur emplacement). En revanche, lorsque la concentration était trop faible (1% en poids de TPU + 0,1% en poids de PEG), la structure résultante avait tendance à être plus irrégulière avec un diamètre de pore de plus de 100 μm. Ces grands pores peuvent être vus à l'œil nu et limiter la résolution des électrodes.

Après plusieurs tentatives, il a été constaté que la concentration optimale de la solution est de 1,5% en poids de TPU et de 0,15% en poids de PEG. En conséquence, une structure poreuse uniforme a été obtenue ( 1b et 1e) La forme des pores était proche de ronde avec un diamètre d'environ 40 μm et le coefficient de couverture de surface était d'environ 39% ( 1e et 1f ).

Les AgNW ont été incorporés sur un film poreux en TPU par immersion dans une solution d'AgNW et d'eau. Surtout, la taille des pores était beaucoup plus grande que la longueur de l'AgNW (~ 20 μm). La microscopie ( 1c ) du film poreux AgNW / TPU a montré que l'AgNW était uniformément déposé à la surface du TPU sans obstruer les pores.

Les AgNW à la surface des films en TPU s'en séparent assez facilement, il a donc fallu effectuer un traitement thermique pour résoudre ce problème. Le point de fusion du TPU est d'environ 130 ° C; par conséquent, il a été décidé d'utiliser une température de 150 ° C pour le pressage thermique.

Dans l'image 1d2on peut voir qu'après la presse à chaud, la plupart des AgNW étaient directement intégrées dans le TPU, et seule une petite partie était exposée à la surface. Ce traitement a également réduit l'épaisseur du film de 6,8 μm à 4,6 μm.


Image n ° 2 L'

image 2a montre une image optique d'un film poreux HP-AgNW / TPU (HP - après traitement thermique). Graphique 2bmontre la résistance du film en fonction du nombre de cycles d'immersion (c'est-à-dire le nombre de cycles d'incorporation d'AgNW). La résistance n'a diminué qu'après les quatre premiers cycles, après quoi elle est restée stable, atteignant environ 14,5 Ohm / sq (Ohm par carré). Par conséquent, dans le processus de fabrication du film, exactement 4 cycles d'application ont été utilisés. Le traitement par presse thermique a encore réduit la résistance, ce qui peut s'expliquer par l'amélioration du contact dans les composés AgNW provoquée par la pression et le recuit thermique. Par exemple, après traitement thermique, la résistance du film a diminué à 7,3 Ohm / sq.

La structure poreuse du film conduit à une augmentation de la transparence optique par rapport à un film solide. La transmittance optique était de 72% à 550 nm pour un film poreux en TPU ( 2c) et a diminué à 63% après revêtement avec AgNW. La transmittance a encore été réduite à 61% après le pressage thermique en raison de la largeur légèrement augmentée du film TPU.

Ensuite, la transmission de la vapeur d'eau a été estimée sur la base de la norme ASTM E96. Comme prévu, un film poreux en TPU présente une perméabilité à la vapeur significativement améliorée par rapport à un film sans structure poreuse ( 2d ). Le taux de transmission de la vapeur d'eau était de: 2 mg / cm ² h ^-1 pour un film de TPU solide; 38 mg / cm ² h ^-1 pour un film poreux en TPU; 36 mg / cm ² h ^-1 pour AgNW / TPU poreux et 23 mg / cm ² h ^-1pour HP-AgNW / TPU poreux.

Les chercheurs ont suggéré qu'une augmentation de la perméabilité à la vapeur améliore également la résistance à l'usure du matériau. Pour tester cette hypothèse, un test d'usure à long terme a été réalisé lorsqu'un film était porté sur la peau. Après 7 jours de port sur la peau d'une personne, il n'y a pas eu de réactions allergiques et d'accumulation de sueur. Aucune différence n'a été observée entre la zone de la peau recouverte de film et la zone autour de la zone de contact.

Il est évident que la structure poreuse traversante permet à la transpiration et à l'humidité de pénétrer le film, réduit le risque d'irritation cutanée et améliore le confort et la résistance à l'usure.

De plus, les films ont été immergés dans une solution saline pour démontrer une stabilité à long terme au contact de la sueur ( 2e) Après 100 heures, la résistance des films poreux AgNW / TPU et HP-AgNW / TPU a augmenté respectivement de 60% et 15%.

Des tests de pelage ont été effectués entre le film et le ruban adhésif ( 2f ) et entre le film et la peau. La figure 2f montre également que le film AgNW / TPU peut être facilement décollé à l'aide de ruban (l'image de droite montre AgNW transféré sur du ruban adhésif), tandis que le film HP-AgNW / TPU est beaucoup plus stable.

De plus, le film AgNW / TPU a perdu sa conductivité après le test de pelage, tandis que le film HP-AgNW / TPU a conservé sa conductivité.

Après avoir retiré le film AgNW / TPU de la peau, certains AgNW sont restés sur la peau. Mais un test similaire avec un film HP-Ag NW / TPU a montré qu'il n'y avait pas de particules d'AgNW sur la peau.

Il s'ensuit que le traitement thermique peut améliorer efficacement la conductivité et la stabilité du film lors d'une utilisation prolongée.

En incorporant AgNW sous la surface du film TPU, le film poreux HP-AgNW / TPU résultant a montré une adhérence significativement améliorée entre AgNW et TPU et donc une stabilité, avec une réduction acceptable de la transmission optique et de la perméabilité à la vapeur.

Il convient de noter que le film HP-AgNW / TPU est non seulement conducteur à la surface, mais également dans le sens de l'épaisseur. Les côtés supérieur et inférieur du film sont électriquement conducteurs, tandis qu'ils sont également reliés par des nanofils d'argent au bord des pores à travers l'épaisseur. Ainsi, le film agit comme un matériau conducteur en vrac, mais ne nécessite pas un grand nombre de charges conductrices, ce qui peut entraîner une détérioration des propriétés mécaniques.


Testez avec LED.

Pour démontrer cette propriété, le film a été connecté à un circuit LED et utilisé comme conducteur bilatéral. Deux gouttes de métal liquide ont été appliquées sur les deux côtés du film pour se connecter à la LED. Une LED allumée indique que les deux côtés du film sont électriquement conducteurs et connectés.


Image n ° 3

En raison de ses propriétés physiques, le film HP-AgNW / TPU peut prendre diverses formes par découpe laser. Les images 3a montrent une électrode en film structurée en une structure serpentine filamenteuse avec une largeur de ligne de 0,5 mm. Dans ce cas, le film reste ultra-fin, ce qui assure un contact étroit avec la peau.


La procédure d'application du film HP-AgNW / TPU sur la peau.

Le film est complètement restauré après compression, torsion et autres déformations qui peuvent se produire avec lui alors qu'il est sur la peau. Si nécessaire, le film HP-AgNW / TPU peut être retiré de la peau à l'aide de ruban adhésif et réutilisé.


Procédure de retrait HP-AgNW / TPU à l'aide d'un ruban adhésif simple.

Le graphique 3b montre la dynamique de la résistance en fonction de l'étirement du film. À 5% de tension sur le film, la résistance a doublé. Lors de la suppression de toute tension (déformation), la résistance a chuté de 10%. Dans les cycles suivants, où l'étirement du film et son état normal alternaient, la résistance restait presque toujours constante et réversible.

Si la déformation était de 10% et 15%, alors la résistance a augmenté d'environ 4 et 7 fois, respectivement, par rapport à la valeur initiale. Malgré de telles fluctuations importantes, une tendance intéressante a été notée - à chaque niveau de déformation, le film peut être «programmé» lors du premier étirement, après quoi la résistance changera de façon réversible dans la plage déterminée par le premier étirement. En d'autres termes, c'est le premier cycle de déformation qui joue le rôle le plus important, qui fixe le «rythme» du changement de résistance pour les cycles suivants.

En conséquence, après 1000 cycles de déformation (10%), la résistance a augmenté de moins de 7%. Ce test a également montré que le film est vraiment très flexible. Ainsi, lorsque le film a été plié à une courbure de 0,55 mm-1, la résistance n'a augmenté que de 0,8% ( 3s) Et après 10 000 cycles de flexion, la résistance a augmenté de 0,7% ( 3d ). Le film HP-AgNW / TPU conserve sa conductivité jusqu'à 45% de déformation. Et la destruction du film ne se produit qu'avec une déformation de 350%.

Les scientifiques notent que leur développement est excellent pour la surveillance continue des signaux électrophysiologiques. Un ECG est couramment utilisé pour diagnostiquer les troubles du rythme cardiaque, tandis qu'un EMG peut être utilisé pour analyser les niveaux de stimulation, de neuropathie musculaire et de comportement moteur.

Dans les mesures d'ECG et d'EMG (électrocardiographie et électromyographie), un contact conforme et une faible impédance d'électrode cutanée sont cruciaux pour obtenir un rapport signal / bruit élevé, c'est-à-dire pour obtenir les informations les plus précises.

Pour évaluer le contact entre les électrodes poreuses HP-AgNW / TPU et la peau, nous avons utilisé du cuir artificiel en Exoflex, qui est presque identique à la peau humaine et a le même module d'Young.


Image n ° 4 L'

image 4a montre l'électrode après transfert sur peau artificielle. La microscopie montre clairement que l'électrode ultramince a formé un contact conforme (étroit) avec la peau.

La résistance complexe des électrodes poreuses HP-AgNW / TPU initiales et expansées n'était que légèrement supérieure à celle des électrodes en gel Ag / AgCl du commerce ( 4d), et inférieure à celle d'un film solide AgNW / PDMS (0,2 mm d'épaisseur). Cela est dû à la qualité du contact du film avec la peau. L'épaisseur plus petite et la flexibilité accrue du film HP-AgNW / TPU réduisent la rigidité à la flexion, résultant en un contact plus conforme que le film solide AgNW / PDMS.

De plus, les signaux ECG et EMG obtenus en utilisant des électrodes poreuses HP-AgNW / TPU ont été comparés avec des signaux obtenus en utilisant des électrodes en gel Ag / AgCl du commerce ( 4e et 4f ). L'emplacement des électrodes pour les tests ECG et EMG est indiqué en 4b et 4c, respectivement.

Dans le cas des ECG, les électrodes poreuses HP-AgNW / TPU ont fourni des signaux de qualité comparable aux électrodes en gel. Le SNR (rapport signal / bruit) mesuré pour l'ECG par les électrodes poreuses HP-AgNW / TPU était de 7,0 dB, ce qui est comparable aux électrodes en gel (7,1 dB).

En cas de mouvement constant, la qualité du signal s'est détériorée et la valeur SNR est tombée à 6,3 dB pour les électrodes poreuses et 6,2 dB pour les électrodes en gel.

Grâce à l'EMG, on peut clairement distinguer les signaux correspondant à la contraction musculaire pour différentes forces de préhension. Il est à noter que le signal des électrodes poreuses HP-AgNW / TPU était plus faible que celui des électrodes en gel, mais cela était dû à la disposition différente des électrodes de deux types (les électrodes des deux types étaient utilisées simultanément). La valeur SNR pour l'EMG avec des électrodes poreuses était de 24,9 dB, ce qui est comparable au SNR pour les électrodes en gel (25,9 dB).

Il convient de noter que les électrodes poreuses, contrairement aux électrodes en gel commerciales, n'ont pas besoin de gel conducteur. Le manque de gel lors de la collecte des données améliore leur qualité car il n'existe pas de facteur tel que la dégradation du gel. Compte tenu de la perméabilité aux gaz du film développé, ces expériences illustrent en outre la possibilité d'utiliser des électrodes poreuses HP-AgNW / TPU pour une surveillance continue à long terme de la condition humaine.

La peau humaine n'est pas le seul endroit où les électrodes développées peuvent être placées. La deuxième option est le textile.


Image n ° 5 L'

image 5a montre un schéma d'un capteur tactile capacitif. Le 5b montre la valeur de capacité lorsque le capteur est touché et pressé.

De plus, la sensibilité du système de capteur tactile est définie comme le taux de changement de la valeur lue lorsqu'un toucher se produit. Dans ce système, la sensibilité était de 86%. La stabilité, à son tour, est définie comme la variance des lectures du capteur tactile, qui est d'environ 1,65. Le rapport signal / bruit était de 35: 1 et le temps de réponse était inférieur à 0,1 s.

Pour assembler le système de capteurs tactiles sans fil ( 5c ), un morceau de film HP-AgNW / TPU 50x100 mm a été intégré dans un manchon en tissu et affiché sous la forme de quatre boutons tactiles à l'aide de la découpe laser. Chacun des boutons avait sa propre fonction: gauche, bas, rotation et droite.


Tetris sur la manche.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

La technologie moderne a longtemps été associée non seulement à la fonctionnalité, mais également au confort d'utilisation. L'électronique portable ne fait pas exception. La plupart des matériaux modernes utilisés pour la production de gadgets portables remplissent parfaitement leurs fonctions de base, mais sont dépourvus de petits détails, mais si importants. L'un de ces détails est la perméabilité aux gaz, qui permet une transpiration gratuite en cas de port à long terme de tout appareil sur la peau.

Le film développé HP-AgNW / TPU a de nombreux pores ordonnés. Une telle conception n'affecte pas grandement les propriétés physiques du film, tout en conservant la capacité d'exécuter pleinement les tâches principales.

Au cours de l'étude, plusieurs prototypes ont été créés, démontrant la gamme d'applications de HP-AgNW / TPU. Le premier prototype visait à recueillir des informations importantes sur l'état de santé de l'utilisateur. Le deuxième est l'utilisation presque humoristique du film HP-AgNW / TPU pour créer une manette de jeu Tetris sans fil. Dans les deux cas, les prototypes ont montré d'excellents résultats, et le film poreux dans ses caractéristiques et performances était comparable aux options commerciales actuellement utilisées.

À l'avenir, les chercheurs ont l'intention de poursuivre leurs travaux sur les matériaux perméables aux gaz, car ils estiment que l'utilisation de tout gadget portable devrait être confortable. Eh bien, vous ne pouvez pas contester cela.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars. :)

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