A medida que los sensores portátiles se vuelven más frecuentes, la necesidad de un material resistente a los daños causados ​​por el estrés y las tensiones del movimiento natural del cuerpo humano se vuelve cada vez más crucial. Con ese fin, Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han desarrollado un método de adopción de arquitecturas kirigami para ayudar a que los materiales se vuelvan más tolerantes a la tensión y más adaptables al movimiento.

Similar al origami, el arte más conocido del plegado de papel, kirigami implica cortar además de doblar. El equipo dirigido por SungWoo Nam, profesor asociado de Ciencia e Ingeniería Mecánica, y Keong Yong aplicó con éxito arquitecturas kirigami al grafeno, un material ultrafino, para crear sensores adecuados para dispositivos portátiles.

"Para lograr los mejores resultados de detección, no quieres que tu movimiento genere salidas de señal adicionales, "Nam señaló." Utilizamos cortes de kirigami para proporcionar una capacidad de estiramiento más allá de la deformabilidad normal de un material. Este diseño en particular es muy eficaz para desacoplar los artefactos de movimiento de las señales deseadas ".

Para lograr esos resultados, el equipo de investigación pudo realizar una serie de simulaciones colaborando con Narayana Aluru, profesor de Ciencia e Ingeniería Mecánica, y desarrollando software en línea en un nodo de nanofabricación, el primero de su tipo en ser desarrollado. La plataforma de software en línea permite a los investigadores realizar simulaciones antes de crear los dispositivos o plataformas reales.

Una vez que el equipo ideó un diseño que funcionó bien en simulación, era el momento de ponerlo a prueba. El grafeno parecía prometedor como material porque podía soportar deformaciones y roturas significativas en comparación con los metales y otros materiales convencionales. Dado que el grafeno es un material atómicamente delgado, el equipo de investigación pudo encapsular la capa de grafeno entre dos capas de poliimida (el mismo material utilizado para proteger los teléfonos inteligentes plegables). Una vez creado el "sándwich", A continuación, diseñaron cortes de kirigami para mejorar la capacidad de estiramiento del material.

"Dado que el grafeno es sensible a los cambios externos, pero también un conductor semimetálico flexible, la gente está muy interesada en crear sensores a partir de él, "Nam dijo." Esta sensibilidad es muy adecuada para detectar lo que hay a tu alrededor, como la glucosa o los niveles de iones en el sudor ".

El equipo descubrió que la adopción de una arquitectura kirigami hacía que el grafeno no solo fuera estirable, pero también insensible a la tensión y libre de artefactos de movimiento, lo que significa que incluso cuando estaba deformado, no hubo cambios en el estado eléctrico. Específicamente, encontraron que los electrodos de grafeno exhibían insensibilidad a la tensión de hasta un 240 por ciento de tensión uniaxial, o 720 grados de torsión.

Publicaron los resultados de su estudio en Materiales hoy .

"Lo interesante de kirigami es que cuando lo estiras, creas una inclinación fuera del plano, ", Dijo Nam." Así es como la estructura puede soportar deformaciones tan grandes ".

En su diseño, los investigadores colocaron el elemento sensor activo en una "isla" entre dos "puentes" hechos de kirigami grafeno. Si bien el grafeno no perdió ninguna señal eléctrica a pesar de doblarse e inclinarse, todavía tomó la carga del estiramiento y el esfuerzo, permitiendo que el elemento sensor activo permanezca conectado a la superficie. Como tal, kirigami tiene la capacidad única de redistribuir las concentraciones de estrés, logrando así mejores atributos mecánicos direccionales.

Si bien el equipo de investigación demostró con éxito el método básico, ya están trabajando en la mejora de la versión 2.0 con la posibilidad de comercializar eventualmente la tecnología.

El equipo también tuvo resultados positivos al usar polidimetilsiloxano (PDMS) como capas de sándwich y cree que, además del grafeno, el diseño también podría extenderse a otros materiales atómicamente delgados como los dicalcogenuros de metales de transición.