À medida que os sensores vestíveis se tornam mais prevalentes, a necessidade de um material resistente aos danos do estresse e das tensões do movimento natural do corpo humano torna-se cada vez mais crucial. Para esse fim, pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign desenvolveram um método de adoção de arquiteturas kirigami para ajudar os materiais a se tornarem mais tolerantes à tensão e mais adaptáveis ​​ao movimento.

Semelhante ao origami, a mais conhecida arte de dobrar papel, kirigami envolve cortar além de dobrar. A equipe liderada por SungWoo Nam, professor associado de Ciência Mecânica e Engenharia, e Keong Yong aplicou com sucesso arquiteturas kirigami ao grafeno, um material ultrafino, para criar sensores adequados para dispositivos vestíveis.

"Para obter os melhores resultados de detecção, você não quer que seu movimento gere saídas de sinal adicionais, "Nam observou." Usamos cortes kirigami para fornecer alongamento além da deformabilidade normal de um material. Este design específico é muito eficaz em desacoplar os artefatos de movimento dos sinais desejados. "

Para alcançar esses resultados, a equipe de pesquisa foi capaz de realizar uma série de simulações em colaboração com Narayana Aluru, professor de Ciência Mecânica e Engenharia, e desenvolvendo software online em um nó de nanofabricação, o primeiro de seu tipo a ser desenvolvido. A plataforma de software online permite que os pesquisadores façam simulações antes de criar os dispositivos ou plataformas reais.

Depois que a equipe criou um design que funcionou bem na simulação, era hora de colocá-lo à prova. O grafeno parecia promissor como material porque podia suportar deformação e quebra significativas quando comparado a metais e outros materiais convencionais. Como o grafeno é um material atomicamente fino, a equipe de pesquisa conseguiu encapsular a camada de grafeno entre duas camadas de poliimida (o mesmo material usado para proteger smartphones dobráveis). Depois que o "sanduíche" foi criado, em seguida, eles projetaram cortes de kirigami para aumentar a elasticidade do material.

"Como o grafeno é sensível a mudanças externas, mas também um condutor semimetal flexível, as pessoas estão muito interessadas em criar sensores a partir dele, "Nam disse." Esta sensibilidade é adequada para detectar o que está ao seu redor, como níveis de glicose ou íons no suor. "

A equipe descobriu que a adoção de uma arquitetura kirigami tornava o grafeno não apenas extensível, mas também insensível à tensão e livre de artefatos de movimento, o que significa que mesmo estando deformado, não houve mudança no estado elétrico. Especificamente, eles descobriram que os eletrodos de grafeno exibiam insensibilidade à deformação de até 240 por cento de deformação uniaxial, ou 720 graus de torção.

Eles publicaram os resultados de seu estudo em Materiais Hoje .

"O que é interessante sobre o kirigami é que quando você o estica, você cria uma inclinação fora do plano, - disse Nam. - É assim que a estrutura pode suportar grandes deformações.

Em seu design, os pesquisadores colocaram o elemento sensor ativo em uma "ilha" entre duas "pontes" feitas de grafeno kirigami. Enquanto o grafeno não perdeu nenhum sinal elétrico, apesar da dobra e inclinação, ainda tirou a carga do alongamento e esforço, permitindo que o elemento de detecção ativo permaneça conectado à superfície. Como tal, kirigami tem a capacidade única de redistribuir as concentrações de estresse, alcançando assim atributos mecânicos direcionais aprimorados.

Embora a equipe de pesquisa tenha provado o método básico com sucesso, já estão trabalhando no aprimoramento da versão 2.0 com a possibilidade de eventualmente comercializar a tecnologia.

A equipe também obteve resultados positivos usando polidimetilsiloxano (PDMS) como camadas de sanduíche e acredita que, além do grafeno, o projeto também pode se estender a outros materiais atomicamente finos, como dichalcogenetos de metais de transição.