Mecanismo y versatilidad de las películas SU8 autoplegables. a) Bicapa SU8 auto-plegable donde la capa inferior SU8 está completamente reticulada y la capa superior SU8 está parcialmente reticulada. La película bicapa SU8 se pliega hacia arriba en el intercambio de solvente entre acetona y agua. b) SU8 autoplegable con densidad de reticulación de gradiente de dosis de UV baja a través de la película única SU8. La película SU8 se pliega hacia abajo en el intercambio de solvente entre acetona y agua. Los espesores totales de las vigas bicapa SU8 fueron, c) 20 micras, yd) 10 μm, y UVr =0,5. Plegado controlado de estrellas SU8 bicapa, e) UVr =0,8, el espesor fue de 10 µm. f) UVr =0,5, el espesor fue de 10 µm. g) UVr =0,5, el espesor fue de 5 µm. h) Cintas SU8 dobladas en i) hélices, yj) una estrella SU8 doblada en k) una pirámide cuadrada usando el método de gradiente. Las barras de escala son, c – g) 500 μm, h, i) 800 μm, y j, k) 300 µm. Crédito:Sistemas inteligentes avanzados, doi:10.1002 / aisy.202000195
Estímulos sensibles, auto-plegable Los materiales en capas bidimensionales (2-D) tienen funciones interesantes para la electrónica flexible, usables, biosensores, y aplicaciones fotónicas. Sin embargo, Los límites de escalabilidad y la falta de herramientas de diseño pueden impedir una alta integración y su función confiable. En un nuevo informe ahora publicado en Sistemas inteligentes avanzados , Qi Huang, y un equipo de científicos en ingeniería química y biomolecular e ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Johns Hopkins, NOSOTROS., propuso una estrategia de producción en masa para crear estructuras auto-plegables reversibles monocapa basadas en grafeno. El material se puede utilizar en sistemas de microfluidos y micromecánicos. Como prueba de concepto, lograron dispositivos complejos y funcionales en forma de anillos, poliedros flores y pájaros de origami. Luego integraron electrodos de oro a las construcciones para mejorar su sensibilidad de detección. Los experimentos sugieren un marco integral para diseñar y fabricar racionalmente escalables y complejos, 3-D, dispositivos ópticos y electrónicos auto-plegables mediante el plegado de grafeno monocapa 2-D.
Desarrollo de microestructuras 3-D a partir de precursores 2-D
El desarrollo de microestructuras integradas 3-D a partir de escala de obleas, Los precursores 2-D pueden ser útiles en una variedad de campos, incluida la óptica, electrónica, robótica e ingeniería biomédica. Sin embargo, Todavía es difícil realizar dispositivos híbridos basados en material en 2-D capas independientes y reversibles a escala de obleas en chip o independientes. En este trabajo, Huang y col. investigó la mecánica de plegado de SU8 reticulado diferencialmente, es decir, un ultravioleta (UV) a base de epoxi reticulable, fotorresistente negativo a base de una resina comercial, y la interacción de la luz con microestructuras flexibles de grafeno-oro (Au) -SU8 3-D. El equipo utilizó experimentos y simulaciones para introducir varias ideas nuevas y demostró las microestructuras de grafeno SU8 autoplegables. Variaron el alcance de la reticulación de SU8 ajustando la dosis de UV para desarrollar un modelo de grano grueso que engloba el efecto de la luz ultravioleta para la mecánica del material y los cambios de volumen. Luego utilizaron el enfoque para proporcionar ejemplos de formas tridimensionales, incluidas aves de origami. El método también incluyó enfoques computacionales de integración a muy gran escala (VLSI) multicapa. El método permitió conexiones simples con electrodos y otros componentes electrónicos, módulos ópticos o microfluídicos. Los estudios mostraron dispositivos funcionales híbridos de grafeno 3-D adecuados para robótica, wearables y fotónica.
Marco de diseño mecánico para microestructuras auto-plegables. a) Gráfico del módulo de elasticidad (E) frente a la intensidad de exposición (I0) para SU8. Los puntos individuales son valores medidos y la línea recta indica un ajuste teórico a estos puntos y el valor del módulo en el umbral de exposición de la hoja de datos SU8. b) Un gráfico de la ROC promediada para una viga SU8 rectangular bicapa con dimensiones de 250 × 500 μm, en función del espesor (t) y la intensidad de exposición (I0) de la capa superior. El rojo indica la capa inferior SU8 (totalmente expuesta a los rayos UV con 240 mJ cm − 2), y la capa azul es la capa superior SU8 (expuesta a UV con I0). c) Un gráfico de la ROC para una viga SU8 rectangular reticulada en gradiente con dimensiones de 250 × 500 μm, en función de la intensidad de exposición (I0) de la capa superior (color en rojo con energía de I0) y la intensidad del gradiente disminuyendo a lo largo del espesor dado por (
Diseño racional de estructuras SU8 autoplegables en 3D
Huang y col. probaron dos métodos para permitir el plegado reversible de películas SU8 reticuladas diferencialmente, incluidos los métodos de bicapa y gradiente. Para ambas versiones, Primero depositaron una capa de sacrificio de cobre evaporado térmicamente de 50 nm de espesor sobre una oblea o portaobjetos de vidrio. Durante el método bicapa, modelaron películas de bicapa SU8 con una capa inferior completamente reticulada y una capa superior parcialmente reticulada utilizando fotolitografía para facilitar la flexión de la oblea. Luego recubrieron por rotación las capas SU8 sobre el material y acondicionaron los patrones de bicapa sumergiéndolos en acetona para crear precursores auto-plegables. Las estructuras acondicionadas podrían plegarse y desplegarse de forma reversible con la transferencia de disolvente de acetona al agua. Variando el grosor del patrón, ensamblaron vigas curvas con diferentes radios y una variedad de formas tridimensionales. El equipo también varió la relación de dosis de exposición a los rayos UV para aumentar el grado de plegado del patrón. Observaron cómo se podían lograr diferentes ángulos de pliegue variando el grosor y la extensión de la reticulación. El trabajo proporcionó los criterios de diseño necesarios para lograr una flexión y geometrías controladas para las microestructuras SU8. Las simulaciones fueron reproducciones precisas de las formas experimentales de plegado.
Conversión de grafeno en formas 3-D basadas en las estructuras SU8 auto-plegables
Las estructuras auto-plegables podrían apoyar de manera importante la transformación de grafeno monocapa plano en formas tridimensionales. Este proceso de integración incluyó algunos pasos clave. En primer lugar, El equipo transfirió el grafeno monocapa cultivado mediante la deposición de vapor químico de una oblea recubierta de cobre al sustrato de silicio recubierto de cobre de sacrificio mediante el método de metacrilato de polimetilo (PMMA). Luego, usando espectros Raman, Huang y col. observó los picos correspondientes al grafeno monocapa depositado en SU8 como se esperaba. Después de eso, modelaron el grafeno mediante fotolitografía y grabado con plasma, y auto-enrollado realizado de estructuras de grafeno-SU8 con enrollado / desenrollado reversible en agua y acetona. Este proceso de integración de grafeno-SU8 auto-rodante ocurrió en una escala de oblea, facilitar la inclusión de otros elementos, incluidas líneas o patrones dorados, para formar dispositivos electrónicos u ópticos funcionales.
Ilustración esquemática del proceso de fabricación de vigas de grafeno-Au-SU8 independientes y autoplegadas en 3D. a) Flujo del proceso de fabricación. b) Proceso de auto-plegado y desplegado sobre transferencia de solvente entre agua y acetona. c) Imagen de un haz plano de grafeno-Au-SU8, yd) un rollo de grafeno-Au-SU8 auto-plegado. e) Imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) de vista lateral del haz autoplegado. Las barras de escala son c, d) 800 μm, ye) 200 µm. Crédito:Sistemas inteligentes avanzados, doi:10.1002 / aisy.202000195
Desarrollando materiales inteligentes ultrafinos que cambian de forma.
Los científicos de materiales suelen estudiar el grafeno para sus aplicaciones electrónicas y ópticas basadas en características físicas únicas, alta resistencia mecánica, y estabilidad del material. Debido a sus propiedades características de la optoelectrónica, La alta movilidad del portador de carga del grafeno a temperatura ambiente reveló aplicaciones potenciales en dispositivos de alta frecuencia y alta velocidad. Sin embargo, La absorción de luz y la interacción luz-materia del grafeno son bajas para los dispositivos basados en grafeno planos atómicamente delgados. Huang y col. por lo tanto, aprovechó la transparencia óptica de SU8 para desarrollar dispositivos ópticos basados en grafeno auto-plegables en 3D para formar dispositivos ópticos flexibles y dispositivos portátiles. Crearon estructuras de grafeno tridimensional de múltiples rollos para superar los límites de la absortividad deficiente del grafeno de una sola capa. Luego, los científicos utilizaron un fotodetector plano de grafeno-oro-SU8 y probaron el sustrato iluminando cada electrodo de oro con un láser de 488 nm. El fotovoltaje fue mayor cuando la iluminación láser incidió directamente en el lado del grafeno en comparación con el lado SU8. La iluminación reducida resultó de la absorción de luz en la película SU8. El fotovoltaje generado en el trabajo resultó principalmente del área de superposición de oro y grafeno.
Formación de estructuras y fotodetectores de grapahene-SU8 3D integrados en chip
Como prueba de concepto, Huang y col. desarrolló diseños complejos inspirados en origami y estructuras integradas en chips. Para armarlos, modelaron la capa de sacrificio de cobre y el grafeno y controlaron la exposición a los rayos UV en regiones específicas para doblar selectivamente la microestructura SU8, mientras que otras partes permanecieron inmovilizadas. Estas estructuras complejas serán importantes para la robótica blanda con una interfaz de grafeno-oro para aplicaciones de recolección de energía óptica remota. Los diseños ensamblados en chip también son importantes en optoelectrónica, que Huang et al. ilustrado utilizando fotodetectores de resolución de ángulo con una matriz de fotodetectores de grafeno SU8 plegado automáticamente. Usando iluminación de luz, mostraron diferentes fotorrespuestas basadas en el ángulo del láser y la arquitectura del material. El equipo también utilizó simulaciones para determinar la respuesta resuelta en ángulo.
Fotorrespuesta de vigas autoplegadas de grafeno-Au-SU8 independientes. a) Un gráfico del fotovoltaje cuando se escaneó el punto láser en la dirección lateral del haz plano de grafeno-Au-SU8, y la línea continua es una guía para los ojos. Fotovoltaje de circuito abierto medido en b) plano, yc) haz de Au-grafeno-SU8 auto-plegado, cuando la potencia del láser se varió de 1 a 5 mW irradiado en un electrodo con diferentes tiempos de exposición. d) Comparación de la fotorrespuesta entre el grafeno autolaminado 3D-Au-SU8 y el haz plano de grafeno-Au-SU8. Crédito:Sistemas inteligentes avanzados, doi:10.1002 / aisy.202000195
panorama
De este modo, Qi Huang y sus colegas desarrollaron un proceso altamente paralelo para ensamblar microestructuras de grafeno flexibles en 3D. El método tiene tres ventajas clave que ofrecer,
Microestructuras autoplegadas y fotodetección 3D de grafeno-Au-SU8 integrado en chip. a) Esquema del flujo del proceso. Imágenes ópticas y SEM del auto-plegado de un pájaro de origami de grafeno-Au-SU8 de, b) plano en c) su forma 3D. Imágenes ópticas y SEM del auto-plegado de una flor de grafeno-Au-SU8 de, d) plano en e) su forma 3D. f) Esquema de matrices de grafeno-Au-SU8 3D auto-plegadas en chip. g) Imagen SEM de la matriz de grafeno-Au-SU8 auto-plegada. h) Imagen óptica de la configuración de medición. i) Esquema de la medición de la fotorrespuesta angular dependiente para el fotodetector auto-plegado 3D de grafeno-Au-SU8 integrado en chip. j) Respuesta de fotovoltaje dependiente del ángulo de un solo fotodetector auto-plegado 3D de grafeno-Au-SU8. (0 °, 30 °, y 60 °). k) Simulación COMSOL de la variación de la absorción de luz en función de los ángulos de incidencia. Las barras de escala son b – e) 500 μm yg) 200 μm. Crédito:Sistemas inteligentes avanzados, doi:10.1002 / aisy.202000195
El fotorresistente ópticamente transparente puede recubrirse por rotación y mantenerse con relativa flexibilidad. Las estructuras eran estables en el aire y pueden formar mejores alternativas ligeras a los módulos basados en silicio para su integración en robots voladores y natadores. La base principal del mecanismo de auto-plegado se basó en el hinchamiento diferencial impulsado por solventes químicos para facilitar los movimientos de plegado / desplegado. El equipo espera utilizar este enfoque para crear una gama de microestructuras 3-D para wearables, robots en movimiento, en biosensores y en dispositivos de captación de energía.
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