Os polímeros de próxima geração desenvolvidos em laboratório devem se tornar extensíveis e autocuráveis ​​para formar novos dispositivos sensoriais semelhantes à pele para atender às demandas de aplicações futurísticas de pele eletrônica. Embora os pesquisadores tenham feito avanços notáveis ​​em materiais eletrônicos inspirados na pele, é um desafio incluir funções desejadas em um semicondutor ativo para melhorar a detecção. Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência , Jin Young Oh e uma equipe de pesquisa interdisciplinar nos departamentos de Engenharia Química, Pesquisa Biomédica, Engenharia elétrica, Ciência de Materiais e Engenharia Mecânica nos EUA e na Coreia do Sul, desenvolveu um sensível à tensão, Filme semicondutor extensível e autônomo de autocura.

Eles projetaram o novo material misturando um semicondutor de polímero e um elastômero de autocura, reticulado dinamicamente usando ligações de coordenação de metal. Young Oh et al. controlou o limiar de percolação do semicondutor de polímero para formar um filme sensível à deformação com um fator de calibre de 5,75 x 10 ⁵ a 100 por cento de deformação durante a transição elástica. O filme composto foi altamente esticável com uma tensão de fratura superior a 1300 por cento com autocura autônoma demonstrada em temperatura ambiente. A equipe de pesquisa desenvolveu então uma matriz de sensor transistor de matriz ativa extensível de cinco por cinco (capa eletrônica) para detectar a distribuição de deformação durante a deformação da superfície.

Os avanços em materiais e dispositivos eletrônicos extensíveis permitiram aos cientistas imitar as propriedades de autocura da pele humana e acelerar o desenvolvimento de dispositivos inspirados na pele, robôs soft e dispositivos biomédicos. Os cientistas de materiais podem integrar módulos de detecção rígidos em uma plataforma ultrafina com projetos de engenharia de tensão para construir superfícies por meio de impressão de transferência. Materiais bioinspirados também podem ser criados com sensibilidade e compatibilidade aprimoradas para implantação no corpo humano. Junto com a modulação de estímulos mecânicos para representar a função eletrônica da pele (e-skin) para as funções sensoriais biomiméticas da pele humana.

Sensores baseados em matriz de transistor de matriz ativa podem fornecer sinais de detecção de alta qualidade com interferência reduzida entre pixels individuais, onde cada pixel contém um sensor conectado a um transistor. Os pesquisadores já haviam usado a engenharia de deformação para incorporar sensores e transistores rígidos ao extensível, sistemas biomiméticos para auxiliar pacientes com distúrbios do movimento. Para eliminar a incompatibilidade mecânica entre componentes rígidos e moles; os sensores e transistores devem ser intrinsecamente extensíveis. Um transistor de detecção de deformação pode simplificar o processo de fabricação para melhorar a robustez mecânica e a conformabilidade. Uma capacidade adicional de autocura pode aumentar os benefícios do e-skin para garantir uma vida útil mais longa.

No presente trabalho, Young Oh et al. apresentou um filme semicondutor intrinsecamente elástico e autocurável com comportamento elétrico sensível à tensão incluído em um transistor elástico. Eles fundiram dois materiais para formar um filme semicondutor, misturando um semicondutor de polímero e um elastômero isolante para demonstrar a nova propriedade. Quando eles quebraram as ligações de coordenação de metal do material fundido, o construto pode reconstruir espontaneamente para transferir esticável, difícil, propriedades de autocura para o filme semicondutor frágil.

O elastômero no filme misturado manteve um módulo baixo para absorver a tensão mecânica externa para criar um material eletrônico multifuncional. Os cientistas então fabricaram uma matriz de transistores sensoriais de matriz ativa extensível, onde integraram o filme semicondutor, eletrodo dielétrico e interconexão usando um processo de impressão por transferência. A interface semicondutor / dielétrico do conjunto de sensores era à prova d'água, mesmo após contato com suor artificial por 15 horas. Young Oh et al. imaginar que o sensível à tensão, o semicondutor extensível e de autocura mudará o padrão do e-skin para aplicações expandidas.

A equipe projetou um material semicondutor composto, desenvolvido anteriormente pelo mesmo grupo de pesquisa. Nesse trabalho, eles abreviaram o novo composto DPP-TVT-PDCA; onde eles misturaram poli (3, 6-di (tiofen-2-il) dicetopirrolo [3, 4-c] pirrol-1, 4-dione-alt-1, 2-ditienileteno) com 10 por cento molar 2, Porções 6-piridinodicarboxamina (PDCA).

Eles então combinaram PDCA com poli (dimetilsiloxano-alt-2, 6-piridinodicarbozamina) para formar o polímero PDMS-PDCA. O polímero PDCA formou complexos de coordenação metal-ligante (Fe (III) -PDCA) com múltiplas ligações dinâmicas e três diferentes forças de ligação para facilitar a reticulação dinâmica, extensibilidade intrínseca e potencial de autocura. Os cientistas demonstraram a ligação do ligante Fe (III) PDCA com PDMS-PDCA e DPP-TVT-PDCA no filme de mistura.

Eles otimizaram a mobilidade do efeito de campo no filme semicondutor (DPP-TVT-PDCA), introduzindo proporções variáveis ​​de um elastômero (PDMS-PDCA-Fe) para formar um filme de mistura com uma proporção de peso otimizada. O polímero semicondutor resultante manteve razoável mobilidades de portadores de carga e formou caminhos de percolação elétrica suficientes. O filme de mistura manteve uma alta elasticidade, Índice de Poisson e módulo de Young semelhantes à pele humana e melhores do que polímeros semicondutores típicos. A análise reológica do filme de mistura à temperatura ambiente mostrou que o material se comportava de maneira semelhante a um sólido com reticulação de coordenação de íons de metal. A temperatura de transição vítrea do material era semelhante à borracha PDMS típica.

Eles testaram a elasticidade do filme usando testes cíclicos de deformação repetidos, e creditaram a dissipação de energia observada à quebra da ligação de coordenação Fe (III) -PDCA durante o relaxamento de tensão. Mesmo depois de alongar o filme de mistura além de 100 por cento de tensão, ele recuperou seu comprimento inicial após uma hora de repouso devido à reorganização das cadeias poliméricas. A equipe caracterizou a morfologia e a percolação elétrica do filme de mistura usando microscopia eletrônica de transmissão. Seguido pelo mapeamento dos elementos do material usando espectroscopia de raios-X de dispersão de energia para identificar enxofre (S), picos de silício (Si) e ferro (Fe). Os resultados indicaram alta sensibilidade do material à deformação, onde o elastômero absorveu a deformação aplicada, mantendo a região cristalina do filme semicondutor, para permitir o mecanismo de alongamento proposto da película de mistura.

A equipe de pesquisa testou o transporte de carga sensível à deformação do filme semicondutor usando transistores de filme fino orgânico (OTFTs) por meio de impressão de transferência. Eles não detectaram nenhuma nanofissura no filme transferido usando microscopia de força atômica (AFM) para eliminar a possibilidade de danos mecânicos devido à deformação. Os cientistas então evaporaram o ouro, um material de eletrodo, no filme de mistura e observei que a corrente ativa do transistor diminuía conforme a porcentagem de deformação aumentava. O fator de medição foi mais alto em 5,7 x 10 ⁵ a 100 por cento de tensão, que foi o maior valor relatado para medidores de tensão semicondutores, e comparável com o estado da arte, medidores de tensão baseados em condutor. Os dispositivos mostraram caráter de corrente-tensão totalmente reversível e comportamento de ciclo repetível, semelhante à elasticidade da pele humana.

Young Oh et al. obteve a característica única de autocura do e-skin por meio da ligação dinâmica de coordenação metal-ligante. Para testar a capacidade de autocura, eles cortam o material (200 nm de espessura) à temperatura ambiente, deixou-o por 24 horas e observou o desaparecimento da cicatriz de forma autônoma. O filme curado pode ser esticado para mais de 200 por cento de tensão antes de fraturar. Quando eles testaram a propriedade elétrica do filme semicondutor curado usando um método de contato suave em OTFT, eles recuperaram a mobilidade de efeito de campo do material curado. Comparativamente, cortar um material semicondutor sem propriedades de autocura não reteve o comportamento da corrente-tensão semelhante ao do transistor.

Para habilitar o material semicondutor recém-desenvolvido para aplicações e-skin, Young Oh et al. fabricou um cinco por cinco totalmente elástico, matriz de transistores de matriz ativa sensível à tensão. Por esta, eles construíram uma interconexão altamente extensível e condutora usando um eletrodo feito de ouro extensível altamente condutor (Au) e um elastômero de poliestireno para varreduras múltiplas de alta velocidade sem atraso de sinal ou perda dentro da arquitetura de matriz ativa. Para confirmar a confiabilidade mecânica do eletrodo, eles completaram testes cíclicos repetidos de até 100 ciclos sob 50 por cento de deformação e obtiveram um desempenho superior. O dispositivo mostrou operações reversíveis de detecção de deformação para se recuperar totalmente ao estado original após a liberação da deformação.

Para aplicações de e-skin da matriz de sensor de tensão extensível, os cientistas reduziram a voltagem operacional do dispositivo de -60 para -5 volts para sustentabilidade a longo prazo e segurança médica. Apesar da tensão de baixo limiar, o dispositivo era sensível à deformação aplicada. O desempenho à prova d'água era uma prioridade para evitar o mau funcionamento do dispositivo em contato com o suor iônico gerado pela pele humana; que eles conseguiram usando um elastômero para passivar a matriz de transistor de sensor cinco por cinco contra o suor, seguido de imersão em suor artificial por 15 horas. O sistema de detecção monolítico pode mapear a deformação do e-skin em um processo de fabricação simplificado, combinando uma arquitetura de sensor e transistor em um único dispositivo. Os pesquisadores "cutucaram" o e-skin para quantificar as mudanças atuais da matriz do sensor de matriz ativa e simularam a deformação aplicada usando métodos de elementos finitos.

Desta maneira, Jin Young Oh e seus colegas apresentaram uma abordagem para a engenharia sensível à deformação, Filmes semicondutores extensíveis e autocuráveis ​​para formar matrizes de sensores de deformação de matriz ativa semelhantes à pele. A rede composta de materiais forneceu sensibilidade à deformação para o filme misturado. A coordenação do ligante metálico permitiu que o semicondutor fosse altamente extensível e autocurável à temperatura ambiente. Usando o filme semicondutor, os pesquisadores desenvolveram um e-skin que detectou deformação induzida por pressão, ao lado da visualização da deformação aplicada. O e-skin sintético era totalmente curável e capaz de operar dentro de uma voltagem medicamente segura, com potencial para incorporar materiais dielétricos de alto k após otimização adicional.

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