(A) La fabricación comienza con la inyección de la solución de nanocompuestos en el agua. La solución consta de nanomateriales (NW), elastómero insoluble en agua (SEBS) disuelto en un disolvente inmiscible en agua (tolueno), y etanol. (B) La masa de la solución de nanocompuestos se extiende a lo largo de la superficie del agua debido al flujo de Marangoni, resultando en el ensamblaje monocapa de NW. (C) La solución compuesta ensamblada cubre toda la superficie del agua después del proceso de inyección de la solución. (D) Se agregan algunas gotas del tensioactivo en el centro. (E) El tensioactivo empuja la masa (es decir, NW, elastómero, y solvente) hacia afuera. El disolvente se evapora brevemente a temperatura ambiente. (F) Se deja en el agua una monocapa de NW ensamblados parcialmente incrustados en una matriz de elastómero ultrafina. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Los "componentes electrónicos de la piel" son delgados, Electrónica flexible que se puede montar en la piel. Si bien puede parecer algo salido de la ciencia ficción, Se anticipa que pronto dichos dispositivos servirán en una amplia gama de aplicaciones, como monitoreo de salud, diagnóstico de salud, realidad virtual, e interfaz hombre-máquina.
La creación de tales dispositivos requiere componentes que sean suaves y estirables para ser mecánicamente compatibles con la piel humana. Uno de los componentes vitales de la electrónica de la piel es un conductor intrínsecamente estirable que transmite señales eléctricas entre dispositivos. Para un funcionamiento fiable y un rendimiento de alta calidad, un conductor estirable que presenta un grosor ultrafino, conductividad similar al metal, alta capacidad de estiramiento, y se requiere facilidad de pautabilidad. A pesar de una extensa investigación, todavía no era posible desarrollar un material que posea todas estas propiedades simultáneamente, debido al hecho de que a menudo tienen compensaciones entre sí.
Dirigido por el profesor Hyeon Taeghwan y Kim Dae-Hyeong, investigadores del Centro de Investigación de Nanopartículas del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en Seúl, Corea del Sur dio a conocer un nuevo método para fabricar un material compuesto en forma de nanomembrana, que viene con todas las propiedades mencionadas anteriormente. El nuevo material compuesto consta de nanocables metálicos empaquetados en una monocapa dentro de una película de caucho ultrafina.
Este material novedoso se fabricó mediante un proceso que el equipo desarrolló llamado "método de montaje flotante". El montaje del flotador aprovecha el efecto Marangoni, que ocurre en dos fases líquidas con diferentes tensiones superficiales. Cuando hay un gradiente en la tensión superficial, Se genera un flujo de Marangoni alejándose de la región con menor tensión superficial hacia la región con mayor tensión superficial. Esto significa que dejar caer un líquido con menor tensión superficial sobre una superficie de agua reduce la tensión superficial localmente, y el flujo de Marangoni resultante hace que el líquido caído se esparza finamente por la superficie del agua.
La nanomembrana se crea mediante un método de ensamblaje por flotación que consta de un proceso de tres pasos. El primer paso consiste en dejar caer una solución compuesta, que es una mezcla de nanocables metálicos, caucho disuelto en tolueno, y etanol, en la superficie del agua. La fase de tolueno-caucho permanece por encima del agua debido a su propiedad hidrofóbica, mientras que los nanocables terminan en la interfaz entre las fases de agua y tolueno. El etanol dentro de la solución se mezcla con el agua para reducir la tensión superficial local, lo que genera un flujo Marangoni que se propaga hacia el exterior e impide la agregación de los nanocables. Esto ensambla los nanomateriales en una monocapa en la interfaz entre el agua y una película muy fina de caucho / disolvente. En el segundo paso, el surfactante se deja caer para generar una segunda ola de flujo Marangoni que compacta fuertemente los nanocables. Finalmente, en el tercer paso, se evapora el tolueno y se obtiene una nanomembrana con una estructura única en la que se incrusta parcialmente una monocapa de nanocables altamente compactada en una película de caucho ultrafina.
(A-D) Imagen de microscopio electrónico de barrido de los NW ensamblados fijados en la capa de elastómero ultrafina. (E-M) La gran elasticidad de una nanomembrana autónoma para un estado original y estados estirados bajo 250% de tensión y 500% de tensión. La deformación aplicada se disipa principalmente por la capa de elastómero, en particular por regiones de cuña. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Su estructura única permite una distribución eficiente de la tensión en una película de caucho ultrafina, conduciendo a excelentes propiedades físicas, como una capacidad de estiramiento de más de 1, 000%, y un espesor de solo 250 nm. La estructura también permite la soldadura en frío y el apilamiento bicapa de la nanomembrana entre sí, que conduce a una conductividad similar a un metal superior a 100, 000 S / cm. Es más, los investigadores demostraron que la nanomembrana se puede modelar mediante fotolitografía, que es una tecnología clave que se usa ampliamente para fabricar dispositivos semiconductores comerciales y electrónica avanzada. Por lo tanto, Se espera que la nanomembrana pueda servir como un nuevo material de plataforma para la electrónica de la piel.
Las implicaciones de este estudio pueden ir mucho más allá del desarrollo de la electrónica de la piel. Si bien este estudio mostró un material compuesto que consta de nanocables de plata dentro de caucho de estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS), También es posible utilizar el método de montaje flotante en varios nanomateriales, como nanomateriales magnéticos y nanomateriales semiconductores. así como otros tipos de elastómeros como TPU y SIS. Por lo tanto, Se espera que el conjunto de flotadores pueda abrir nuevos campos de investigación que involucren varios tipos de nanomembranas con diferentes funciones.
El estudio se publica en la revista Ciencias .
