Naarmate draagbare sensoren steeds vaker voorkomen, de behoefte aan een materiaal dat bestand is tegen schade door de stress en spanningen van de natuurlijke beweging van het menselijk lichaam wordt steeds belangrijker. Daartoe, onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben een methode ontwikkeld om kirigami-architecturen toe te passen om materialen te helpen spanningstoleranter te worden en zich beter aan te passen aan beweging.

gelijk aan origami, de meer bekende kunst van het papiervouwen, kirigami omvat naast vouwen ook knippen. Het team onder leiding van SungWoo Nam, universitair hoofddocent Werktuigbouwkunde, en Keong Yong hebben met succes kirigami-architecturen toegepast op grafeen, een ultradun materiaal, om sensoren te maken die geschikt zijn voor draagbare apparaten.

"Om de beste meetresultaten te bereiken, u niet wilt dat uw beweging extra signaaluitgangen genereert, Nam merkte op. "We gebruiken kirigami-sneden om rekbaarheid te bieden die verder gaat dan de normale vervormbaarheid van een materiaal. Dit specifieke ontwerp is zeer effectief in het ontkoppelen van de bewegingsartefacten van de gewenste signalen."

Om die resultaten te bereiken, het onderzoeksteam kon een aantal simulaties uitvoeren door samen te werken met Narayana Aluru, hoogleraar Werktuigbouwkunde en Engineering, en door online software te ontwikkelen op een nanomanufacturing node, de eerste in zijn soort die is ontwikkeld. Het online softwareplatform stelt onderzoekers in staat om simulaties uit te voeren voordat de daadwerkelijke apparaten of platforms worden gemaakt.

Toen het team eenmaal een ontwerp had bedacht dat goed werkte in simulatie, het was tijd om het op de proef te stellen. Grafeen leek veelbelovend als materiaal omdat het bestand was tegen aanzienlijke vervorming en breuk in vergelijking met metalen en andere conventionele materialen. Omdat grafeen een atomair dun materiaal is, het onderzoeksteam was in staat om de grafeenlaag in te kapselen tussen twee polyimidelagen (hetzelfde materiaal dat wordt gebruikt om opvouwbare smartphones te beschermen). Nadat de "sandwich" is gemaakt, ze hebben vervolgens kirigami-sneden gemaakt om de rekbaarheid van het materiaal te verbeteren.

"Omdat grafeen gevoelig is voor externe veranderingen, maar ook een flexibele halfmetalen geleider, mensen zijn erg geïnteresseerd om er sensoren van te maken, " zei Nam. "Deze gevoeligheid is zeer geschikt om te detecteren wat er om je heen is, zoals glucose- of ionenniveaus in zweet."

Het team ontdekte dat het gebruik van een kirigami-architectuur het grafeen niet alleen rekbaar, maar ook spanningsongevoelig en vrij van bewegingsartefacten, wat betekent dat zelfs als het vervormd was, er was geen verandering in de elektrische toestand. specifiek, ze ontdekten dat de grafeenelektroden spanningsongevoeligheid vertoonden tot 240 procent eenassige spanning, of 720 graden draaien.

Ze publiceerden de resultaten van hun onderzoek in Materialen vandaag .

"Het interessante aan kirigami is dat als je het uitrekt, je creëert een uit het vlak kantelen, "Zei Nam. "Zo kan de constructie zulke grote vervormingen aan."

In hun ontwerp, de onderzoekers plaatsten het actieve detectie-element op een "eiland" tussen twee "bruggen" gemaakt van kirigami-grafeen. Hoewel het grafeen ondanks het buigen en kantelen geen elektrisch signaal verloor, het nam nog steeds de last van het uitrekken en spannen, waardoor het actieve detectie-element verbonden blijft met het oppervlak. Als zodanig, kirigami heeft het unieke vermogen om stressconcentraties te herverdelen, waardoor verbeterde directionele mechanische eigenschappen worden bereikt.

Hoewel het onderzoeksteam met succes de basismethode heeft bewezen, ze werken al aan verbetering in versie 2.0 met de mogelijkheid om de technologie uiteindelijk te commercialiseren.

Het team had ook positieve resultaten met het gebruik van polydimethylsiloxaan (PDMS) als sandwichlagen en gelooft dat, naast grafeen, het ontwerp zou zich ook kunnen uitstrekken tot andere atomair dunne materialen zoals overgangsmetaal dichalcogeniden.