Los polímeros de próxima generación desarrollados en el laboratorio deben volverse elásticos y autocurables para formar nuevos dispositivos sensoriales similares a la piel para satisfacer las demandas de las aplicaciones de la piel electrónica futurista. Aunque los investigadores han logrado avances notables en materiales electrónicos inspirados en la piel, Es un desafío incluir las funciones deseadas en un semiconductor activo para mejorar la detección. En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , Jin Young Oh y un equipo de investigación interdisciplinario en los departamentos de Ingeniería Química, Investigación biomédica, Ingenieria Eléctrica, Ciencia de los materiales e ingeniería mecánica en los EE. UU. Y Corea del Sur, desarrollado una cepa sensible, Película semiconductora autocurativa estirable y autónoma.

Diseñaron el nuevo material mezclando un semiconductor de polímero y un elastómero autocurativo, entrecruzado dinámicamente mediante enlaces de coordinación de metales. Young Oh y col. controló el umbral de percolación del polímero semiconductor para formar una película sensible a la deformación con un factor de calibre de 5,75 x 10 ⁵ al 100 por ciento de tensión durante la transición elástica. La película compuesta era altamente estirable con una deformación por fractura superior al 1300 por ciento con autorreparación autónoma demostrada a temperatura ambiente. Luego, el equipo de investigación desarrolló una matriz de sensores de transistor de matriz activa extensible integrada de cinco por cinco (revestimiento electrónico) para detectar la distribución de la tensión durante la deformación de la superficie.

Los avances en materiales y dispositivos electrónicos extensibles han permitido a los científicos imitar las propiedades de autocuración de la piel humana y acelerar el desarrollo de dispositivos inspirados en la piel. robots blandos y dispositivos biomédicos. Los científicos de materiales pueden integrar módulos de detección rígidos en una plataforma ultradelgada con diseños de ingeniería de deformación para construir superficies a través de la impresión por transferencia. También se pueden crear materiales bioinspirados con mayor sensibilidad y compatibilidad para su implantación en el cuerpo humano. Junto con la modulación de estímulos mecánicos para representar la función electrónica de la piel (e-skin) para las funciones sensoriales biomiméticas de la piel humana.

Los sensores basados ​​en matrices de transistores de matriz activa pueden proporcionar señales de detección de alta calidad con diafonía reducida entre píxeles individuales, donde cada píxel contiene un sensor conectado con un transistor. Los investigadores habían utilizado anteriormente la ingeniería de deformación para incrustar transistores y sensores rígidos en sistemas biomiméticos para ayudar a pacientes con trastornos del movimiento. Eliminar el desajuste mecánico entre componentes rígidos y blandos; los sensores y transistores deben ser intrínsecamente extensibles. Un transistor sensor de tensión puede simplificar el proceso de fabricación para mejorar la robustez mecánica y la adaptabilidad. Una capacidad adicional de autocuración puede aumentar los beneficios de la piel electrónica para garantizar una vida útil más larga.

En el presente trabajo, Young Oh y col. presentó una película semiconductora intrínsecamente estirable y autorreparable con comportamiento eléctrico sensible a la tensión incluido en un transistor estirable. Fusionaron dos materiales para formar una película semiconductora mezclando un polímero semiconductor y un elastómero aislante para demostrar la nueva propiedad. Cuando rompieron los enlaces de coordinación de metal del material fundido, la construcción podría reconstruirse espontáneamente para transferir estirable, difícil, propiedades de autocuración de la película semiconductora quebradiza.

El elastómero en la película mezclada mantuvo un módulo bajo para absorber la tensión mecánica externa para diseñar un material electrónico multifuncional. Luego, los científicos fabricaron una matriz de transistores sensoriales de matriz activa estirable, donde integraron la película semiconductora, electrodo dieléctrico y se interconectan mediante un proceso de impresión por transferencia. La interfaz semiconductora / dieléctrica de la matriz de sensores era impermeable, incluso después del contacto con sudor artificial durante 15 horas. Young Oh y col. imagina que los sensibles a la tensión, El semiconductor estirable y autorregenerable cambiará el estándar de la piel electrónica para aplicaciones ampliadas.

El equipo diseñó un material semiconductor compuesto desarrollado anteriormente por el mismo grupo de investigación. En este trabajo, abrevian el nuevo compuesto DPP-TVT-PDCA; donde mezclaron poli (3, 6-di (tiofen-2-il) dicetopirrolo [3, 4-c] pirrol- 1, 4-dione-alt-1, 2-ditiienileteno) con 10 por ciento en moles 2, Restos de 6-piridindicarboxamina (PDCA).

Luego combinaron PDCA con poli (dimetilsiloxano-alt-2, 6-piridindicarbozamina) para formar el polímero PDMS-PDCA. El polímero PDCA formó complejos de coordinación metal-ligando (Fe (III) -PDCA) con múltiples enlaces dinámicos y tres fuerzas de enlace diferentes para facilitar la reticulación dinámica, capacidad de estiramiento intrínseca y potencial de autocuración. Los científicos demostraron la unión del ligando de Fe (III) PDCA con PDMS-PDCA y DPP-TVT-PDCA en la película de mezcla.

Optimizaron la movilidad del efecto de campo en la película semiconductora (DPP-TVT-PDCA) mediante la introducción de proporciones variables de un elastómero (PDMS-PDCA-Fe) para formar una película de mezcla con una proporción de peso optimizada. El polímero semiconductor resultante mantuvo una movilidad de portador de carga razonable y formó suficientes trayectorias de percolación eléctrica. La película de mezcla conservó una alta capacidad de estiramiento, La relación de Poisson y el módulo de Young son similares a los de la piel humana y mejores que los polímeros semiconductores típicos. El análisis reológico de la película de mezcla a temperatura ambiente mostró que el material se comportaba de manera similar a un sólido con reticulación por coordinación de iones metálicos. La temperatura de transición vítrea del material fue similar a la del caucho PDMS típico.

Probaron la capacidad de estiramiento de la película utilizando pruebas cíclicas de deformación repetidas, y atribuyó la disipación de energía observada a la rotura del enlace de coordinación Fe (III) -PDCA durante la relajación del estrés. Incluso después de alargar la película de mezcla más allá del 100 por ciento de tensión, se recuperó a su longitud inicial después de una hora de reposo debido a la reorganización de las cadenas de polímero. El equipo caracterizó la morfología y la filtración eléctrica de la película de mezcla utilizando microscopía electrónica de transmisión. Seguido por el mapeo de los elementos del material usando espectroscopia de rayos X de dispersión de energía para identificar azufre (S), picos de silicio (Si) y hierro (Fe). Los resultados indicaron una alta sensibilidad del material a la tensión, donde el elastómero absorbió la tensión aplicada mientras retiene la región cristalina de la película semiconductora, para habilitar el mecanismo de estiramiento propuesto de la película de mezcla.

El equipo de investigación probó el transporte de carga sensible a la deformación de la película semiconductora utilizando transistores orgánicos de película delgada (OTFT) mediante impresión por transferencia. No detectaron nanocracks en la película transferida utilizando microscopía de fuerza atómica (AFM) para eliminar la posibilidad de daño mecánico debido a la tensión. Los científicos luego evaporaron el oro, un material de electrodo, sobre la película de mezcla y observó que la corriente del transistor disminuía a medida que aumentaba el porcentaje de deformación. El factor de calibre fue más alto en 5.7 x 10 ⁵ al 100 por ciento de tensión, cuál fue el valor más alto reportado para galgas extensométricas semiconductoras, y comparable con el estado de la técnica, galgas extensiométricas basadas en conductores. Los dispositivos mostraron un carácter de corriente-voltaje completamente reversible y un comportamiento cíclico repetible, similar a la capacidad de estiramiento de la piel humana.

Young Oh y col. obtuvo la característica de autocuración única de e-skin a través de la unión dinámica de coordinación metal-ligando. Para probar la capacidad de autocuración, cortan el material (200 nm de espesor) a temperatura ambiente, Lo dejó durante 24 horas y observó que la cicatriz desaparecía de forma autónoma. La película curada se podría estirar a más del 200 por ciento de tensión antes de fracturarse. Cuando probaron la propiedad eléctrica de la película semiconductora curada utilizando un método de contacto suave en OTFT, recuperaron la movilidad de efecto de campo del material curado. Relativamente, cortar un material semiconductor sin propiedades de autocuración no retuvo el comportamiento corriente-voltaje similar al de un transistor.

Para habilitar material semiconductor recientemente desarrollado para aplicaciones de piel electrónica, Young Oh y col. fabricó un cinco por cinco completamente estirable, matriz de transistores de matriz activa sensible a la deformación. Para esto, construyeron una interconexión altamente elástica y conductora utilizando un electrodo hecho de oro (Au) elástico altamente conductor y un elastómero de poliestireno para múltiples escaneos de alta velocidad sin retraso o pérdida de señal dentro de la arquitectura de matriz activa. Para confirmar la confiabilidad mecánica del electrodo, completaron pruebas cíclicas repetidas de hasta 100 ciclos bajo una tensión del 50 por ciento y obtuvieron un rendimiento superior. El dispositivo mostró operaciones reversibles de detección de tensión para recuperarse completamente al estado original después de liberar la tensión.

Para aplicaciones de piel electrónica de la matriz de sensores de deformación extensible, los científicos redujeron el voltaje de funcionamiento del dispositivo de -60 a -5 voltios para la sostenibilidad a largo plazo y la seguridad médica. A pesar del voltaje de umbral bajo, el dispositivo era sensible a la tensión aplicada. El rendimiento a prueba de agua era una prioridad para evitar el mal funcionamiento del dispositivo en contacto con el sudor iónico generado por la piel humana; que lograron usando un elastómero para pasivar la matriz de transistores de sensor de cinco por cinco contra el sudor, seguido de sumergirlo en sudor artificial durante 15 horas. El sistema de detección monolítico podría mapear en 3D la deformación de la piel electrónica en un proceso de fabricación simplificado, combinando una arquitectura de sensor y transistor en un solo dispositivo. Los investigadores "pincharon" el e-skin para cuantificar los cambios en la corriente de la matriz de sensores de matriz activa y simularon la tensión aplicada utilizando métodos de elementos finitos.

De este modo, Jin Young Oh y sus colegas presentaron un enfoque de ingeniería sensible a la tensión, películas semiconductoras estirables y autorreparables para formar matrices de sensores de deformación de matriz activa similares a la piel. La red compuesta de materiales proporcionó sensibilidad a la deformación a la película mezclada. La coordinación del ligando metálico permitió que el semiconductor fuera muy elástico y se autocurara automáticamente a temperatura ambiente. Usando la película semiconductora, los investigadores desarrollaron una piel electrónica que detectaba deformaciones inducidas por la presión, junto con la visualización de la tensión aplicada. La piel sintética era completamente curable y podía funcionar dentro de un voltaje médicamente seguro, con potencial para incorporar materiales dieléctricos de alto k después de una mayor optimización.

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