De hersenen zijn zacht en elektronica is stijf, wat het combineren van de twee uitdagend kan maken, zoals wanneer neurowetenschappers elektroden implanteren om hersenactiviteit te meten en misschien kleine stroomstootjes afgeven voor pijnverlichting of andere doeleinden.

Chemisch ingenieur Zhenan Bao probeert daar verandering in te brengen. Al meer dan een decennium, haar lab heeft gewerkt om elektronica zacht en flexibel te maken, zodat ze bijna als een tweede huid aanvoelen en werken. Onderweg, het team is zich gaan richten op het elastischer maken van brosse kunststoffen die elektriciteit kunnen geleiden.

Nu in wetenschappelijke vooruitgang , Bao's team beschrijft hoe ze zo'n broos plastic hebben genomen en het chemisch hebben aangepast om het zo buigbaar te maken als een rubberen band, terwijl de elektrische geleidbaarheid enigszins wordt verbeterd. Het resultaat is een zachte, flexibele elektrode die compatibel is met onze soepele en gevoelige zenuwen.

"Deze flexibele elektrode opent veel nieuwe, spannende mogelijkheden op de weg voor herseninterfaces en andere implanteerbare elektronica, " zei Bao, een professor in de chemische technologie. "Hier, we hebben een nieuw materiaal met compromisloze elektrische prestaties en hoge rekbaarheid."

Het materiaal is nog steeds een laboratoriumprototype, maar het team hoopt het te ontwikkelen als onderdeel van hun langetermijnfocus op het creëren van flexibele materialen die in verbinding staan ​​met het menselijk lichaam.

Flexibele interface

Elektroden zijn fundamenteel voor elektronica. Elektriciteit geleiden, deze draden dragen heen en weer signalen waardoor verschillende componenten in een apparaat kunnen samenwerken. In onze hersenen, speciale draadachtige vezels, axonen genaamd, spelen een vergelijkbare rol, doorgeven van elektrische impulsen tussen neuronen. Bao's rekbare plastic is ontworpen om een ​​meer naadloze verbinding te maken tussen de stijve wereld van elektronica en de flexibele organische elektroden in ons lichaam.

"Een ding over het menselijk brein dat veel mensen niet weten, is dat het gedurende de dag van volume verandert, " zegt postdoctoraal onderzoeker Yue Wang, de eerste auteur op het papier. "Het zwelt en zwelt op." De huidige generatie elektronische implantaten kan niet uitrekken en samentrekken met de hersenen en maakt het moeilijk om een ​​goede verbinding te behouden.

"Als we een elektrode hebben met dezelfde zachtheid als de hersenen, het zal een betere interface vormen, " zei Wang.

Om deze flexibele elektrode te maken, de onderzoekers begonnen met een plastic dat twee essentiële eigenschappen had:hoge geleidbaarheid en biocompatibiliteit, wat betekent dat het veilig in contact kan worden gebracht met het menselijk lichaam. Maar dit plastic had een tekortkoming:het was erg broos. Zelfs 5 procent uitrekken zou het breken.

Strak gewonden en broos

Omdat Bao en haar team probeerden de geleidbaarheid te behouden en tegelijkertijd flexibiliteit toe te voegen, ze werkten samen met wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory om een ​​speciaal type röntgenstraling te gebruiken om dit materiaal op moleculair niveau te bestuderen. Alle kunststoffen zijn polymeren; dat is, ketens van moleculen die als kralen aan elkaar zijn geregen. Het plastic in dit experiment bestond eigenlijk uit twee verschillende polymeren die strak op elkaar waren gewikkeld. Een daarvan was de elektrische geleider. Het andere polymeer was essentieel voor het proces van het maken van het plastic. Toen deze twee polymeren samenkwamen, creëerden ze een plastic dat leek op een broze draad, bolvormige structuren. Het was geleidend, maar niet flexibel.

De onderzoekers veronderstelden dat als ze het juiste moleculaire additief konden vinden om deze twee strak gewonden polymeren te scheiden, ze zouden deze kristallisatie kunnen voorkomen en het plastic meer rek geven. Maar ze moesten voorzichtig zijn - het toevoegen van materiaal aan een geleider verzwakt meestal het vermogen om elektrische signalen te verzenden.

Na het testen van meer dan 20 verschillende moleculaire additieven, ze hebben er eindelijk een gevonden die de truc deed. Het was een molecuul vergelijkbaar met het soort additieven dat wordt gebruikt om soepen in industriële keukens te verdikken. Dit additief veranderde de dikke en broze moleculaire structuur van het plastic in een visnetpatroon met gaten in de strengen waardoor het materiaal kan uitrekken en vervormen. Toen ze de elasticiteit van hun nieuwe materiaal testten, ze waren opgetogen toen ze ontdekten dat het iets meer geleidend werd toen het werd uitgerekt tot twee keer zijn oorspronkelijke lengte. Het plastic bleef zeer geleidend, zelfs wanneer het 800 procent van zijn oorspronkelijke lengte werd uitgerekt.

"We dachten dat als we isolatiemateriaal toevoegen, we zouden echt een slechte geleidbaarheid krijgen, vooral als we zoveel hebben toegevoegd, " zei Bao. Maar dankzij hun precieze begrip van hoe de moleculaire assemblage af te stemmen, de onderzoekers kregen het beste van twee werelden:de hoogst mogelijke geleidbaarheid voor het plastic en het tegelijkertijd omvormen tot een zeer robuuste en rekbare stof.

"Door de interactie op moleculair niveau te begrijpen, we kunnen elektronica ontwikkelen die zacht en rekbaar is als huid, terwijl het geleidend blijft, "zegt Wang.