"Huidelektronica" is dun, flexibele elektronica die op de huid kan worden gemonteerd. Hoewel het misschien klinkt als iets uit sciencefiction, verwacht wordt dat dergelijke apparaten binnenkort zullen dienen in een breed scala aan toepassingen, zoals gezondheidsmonitoring, gezondheidsdiagnose, virtuele realiteit, en mens-machine-interface.

Het maken van dergelijke apparaten vereist componenten die zacht en rekbaar zijn om mechanisch compatibel te zijn met de menselijke huid. Een van de vitale componenten van huidelektronica is een intrinsiek rekbare geleider die elektrische signalen tussen apparaten doorgeeft. Voor een betrouwbare werking en hoogwaardige prestaties, een rekbare geleider met ultradunne dikte, metaalachtige geleidbaarheid, hoge rekbaarheid, en gemak van patroonbaarheid is vereist. Ondanks uitgebreid onderzoek, het was nog niet mogelijk om een ​​materiaal te ontwikkelen dat al deze eigenschappen tegelijk bezit, omdat ze vaak compromissen met elkaar hebben.

Onder leiding van professor Hyeon Taeghwan en Kim Dae-Hyeong, onderzoekers van het Center for Nanoparticle Research binnen het Institute for Basic Science (IBS) in Seoul, Zuid-Korea heeft een nieuwe methode onthuld om een ​​composietmateriaal te vervaardigen in de vorm van nanomembraan, die wordt geleverd met alle bovengenoemde eigenschappen. Het nieuwe composietmateriaal bestaat uit metalen nanodraden die stevig zijn verpakt in een monolaag in ultradunne rubberfilm.

Dit nieuwe materiaal is gemaakt met behulp van een proces dat het team ontwikkelde, een 'float-assemblagemethode'. De vlotterconstructie maakt gebruik van het Marangoni-effect, die optreedt in twee vloeibare fasen met verschillende oppervlaktespanningen. Wanneer er een gradiënt in oppervlaktespanning is, een Marangoni-stroom wordt gegenereerd weg van het gebied met een lagere oppervlaktespanning naar het gebied met een hogere oppervlaktespanning. Dit betekent dat het laten vallen van een vloeistof met een lagere oppervlaktespanning op een wateroppervlak de oppervlaktespanning plaatselijk verlaagt, en de resulterende Marangoni-stroom zorgt ervoor dat de gedruppelde vloeistof zich dun over het wateroppervlak verspreidt.

Het nanomembraan wordt gemaakt met behulp van een float-assemblagemethode die bestaat uit een proces in drie stappen. De eerste stap omvat het laten vallen van een samengestelde oplossing, dat is een mengsel van metalen nanodraden, rubber opgelost in tolueen, en ethanol, op het wateroppervlak. De tolueen-rubberfase blijft door zijn hydrofobe eigenschap boven het water, terwijl de nanodraden op het grensvlak tussen de water- en tolueenfase terechtkomen. De ethanol in de oplossing vermengt zich met het water om de lokale oppervlaktespanning te verlagen, die een Marangoni-stroom genereert die zich naar buiten voortplant en de aggregatie van de nanodraden voorkomt. Dit assembleert de nanomaterialen tot een monolaag op het grensvlak tussen water en een zeer dunne rubber/oplosmiddelfilm. In de tweede stap, de oppervlakteactieve stof wordt gedropt om een ​​tweede golf van Marangoni-stroom te genereren die de nanodraden stevig samendrukt. Eindelijk, in de derde stap, het tolueen wordt verdampt en er ontstaat een nanomembraan met een unieke structuur waarin een sterk verdichte monolaag van nanodraden gedeeltelijk is ingebed in een ultradunne rubberfilm.

De unieke structuur zorgt voor een efficiënte spanningsverdeling in ultradunne rubberfilm, wat leidt tot uitstekende fysieke eigenschappen, zoals een rekbaarheid van meer dan 1, 000%, en een dikte van slechts 250 nm. De structuur maakt ook koud lassen en dubbellaags stapelen van het nanomembraan op elkaar mogelijk, wat leidt tot een metaalachtige geleidbaarheid van meer dan 100, 000 S/cm. Verder, de onderzoekers toonden aan dat het nanomembraan kan worden gemodelleerd met behulp van fotolithografie, dat is een sleuteltechnologie die veel wordt gebruikt voor de productie van commerciële halfgeleiderapparaten en geavanceerde elektronica. Daarom, de verwachting is dat het nanomembraan kan dienen als nieuw platformmateriaal voor huidelektronica.

De implicaties van deze studie kunnen veel verder gaan dan de ontwikkeling van huidelektronica. Terwijl deze studie een composietmateriaal toonde dat bestaat uit zilveren nanodraden in styreen-ethyleen-butyleen-styreen (SEBS) rubber, het is ook mogelijk om de float-assemblagemethode te gebruiken op verschillende nanomaterialen zoals magnetische nanomaterialen en halfgeleidende nanomaterialen, evenals andere soorten elastomeren zoals TPU en SIS. Daarom, de verwachting is dat de float-assemblage nieuwe onderzoeksgebieden kan openen met verschillende soorten nanomembranen met verschillende functies.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .