Les polymères de nouvelle génération développés en laboratoire doivent devenir extensibles et auto-cicatrisants pour former de nouveaux dispositifs sensoriels ressemblant à la peau afin de répondre aux exigences des applications cutanées électroniques futuristes. Bien que les chercheurs aient fait des progrès notables dans les matériaux électroniques inspirés de la peau, il est difficile d'inclure les fonctions souhaitées dans un semi-conducteur actif pour une détection améliorée. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Jin Young Oh et une équipe de recherche interdisciplinaire dans les départements de génie chimique, Recherche biomédicale, Ingénierie électrique, Science des matériaux et génie mécanique aux États-Unis et en Corée du Sud, développé une souche sensible, film semi-conducteur auto-cicatrisant étirable et autonome.

Ils ont conçu le nouveau matériau en mélangeant un polymère semi-conducteur et un élastomère auto-cicatrisant, réticulé dynamiquement à l'aide de liaisons de coordination métalliques. Jeune Oh et al. contrôlé le seuil de percolation du polymère semi-conducteur pour former un film sensible à la déformation avec un facteur de jauge de 5,75 x 10 ⁵ à 100 pour cent de déformation pendant la transition extensible. Le film composite était hautement étirable avec une déformation à la fracture supérieure à 1300% avec une auto-cicatrisation autonome démontrée à température ambiante. L'équipe de recherche a ensuite développé un réseau intégré de capteurs à transistors à matrice active extensible cinq par cinq (peau électronique) pour détecter la distribution des contraintes pendant la déformation de la surface.

Les progrès des matériaux et dispositifs électroniques extensibles ont permis aux scientifiques d'imiter les propriétés d'auto-guérison de la peau humaine et d'accélérer le développement de dispositifs inspirés de la peau, robots mous et dispositifs biomédicaux. Les scientifiques des matériaux peuvent intégrer des modules de détection rigides dans une plate-forme ultrafine avec des conceptions d'ingénierie de contrainte pour construire des surfaces via l'impression par transfert. Des matériaux bioinspirés peuvent également être créés avec une sensibilité et une compatibilité améliorées pour l'implantation dans le corps humain. Parallèlement à la modulation de stimuli mécaniques pour représenter la fonction électronique de la peau (e-skin) pour les fonctions sensorielles biomimétiques de la peau humaine.

Les capteurs à matrice de transistors à matrice active peuvent fournir des signaux de détection de haute qualité avec une diaphonie réduite entre les pixels individuels, où chaque pixel contient un capteur connecté à un transistor. Les chercheurs avaient déjà utilisé l'ingénierie des contraintes pour intégrer des capteurs rigides et des transistors dans des systèmes biomimétiques pour aider les patients souffrant de troubles du mouvement. Éliminer l'inadéquation mécanique entre les composants rigides et souples ; les capteurs et transistors doivent être intrinsèquement extensibles. Un transistor de détection de contrainte peut simplifier le processus de fabrication pour améliorer la robustesse mécanique et la conformabilité. Une capacité supplémentaire d'auto-guérison peut augmenter les avantages de la peau électronique pour garantir une durée de vie plus longue.

Dans le travail present, Jeune Oh et al. a présenté un film semi-conducteur intrinsèquement étirable et auto-cicatrisant avec un comportement électrique sensible à la contrainte inclus dans un transistor étirable. Ils ont fusionné deux matériaux pour former un film semi-conducteur en mélangeant un semi-conducteur polymère et un élastomère isolant pour démontrer la nouvelle propriété. Quand ils ont rompu les liaisons de coordination métalliques du matériau fusionné, la construction pourrait spontanément se reconstruire pour transférer extensible, dure, propriétés d'auto-cicatrisation au film semi-conducteur fragile.

L'élastomère dans le film mélangé a maintenu un faible module pour absorber la contrainte mécanique externe pour concevoir un matériau électronique multifonctionnel. Les scientifiques ont ensuite fabriqué un réseau de transistors sensoriels à matrice active extensible, où ils ont intégré le film semi-conducteur, électrode diélectrique et interconnexion à l'aide d'un procédé d'impression par transfert. L'interface semi-conducteur/diélectrique du réseau de capteurs était étanche, même après contact avec de la sueur artificielle pendant 15 heures. Jeune Oh et al. imaginer que la souche sensible, Le semi-conducteur extensible et auto-cicatrisant changera la norme de la peau électronique pour les applications étendues.

L'équipe a conçu un matériau semi-conducteur composite tel que développé précédemment par le même groupe de recherche. Dans ce travail, ils ont abrégé le nouveau composite DPP-TVT-PDCA; où ils ont mélangé poly(3, 6-di(thiophén-2-yl)dicétopyrrolo[3, 4-c]pyrrole-1, 4-dione-alt-1, 2-dithiényléthylène) avec 10 % en moles 2, fractions 6-pyridinedicarboxamine (PDCA).

Ils ont ensuite combiné le PDCA avec du poly(diméthylsiloxane-alt-2, 6-pyridinedicarbozamine) pour former le polymère PDMS-PDCA. Le polymère PDCA a formé des complexes de coordination métal-ligand (Fe(III)-PDCA) avec de multiples liaisons dynamiques et trois forces de liaison différentes pour faciliter la réticulation dynamique, extensibilité intrinsèque et potentiel d'auto-guérison. Les scientifiques ont démontré la liaison du ligand Fe(III)PDCA avec le PDMS-PDCA et le DPP-TVT-PDCA dans le film de mélange.

Ils ont optimisé la mobilité à effet de champ sur le film semi-conducteur (DPP-TVT-PDCA) en introduisant des rapports variables d'un élastomère (PDMS-PDCA-Fe) pour former un film de mélange avec un rapport pondéral optimisé. Le polymère semi-conducteur résultant maintenait des mobilités de porteurs de charge raisonnables et formait des chemins de percolation électrique suffisants. Le film de mélange a conservé une haute extensibilité, Coefficient de Poisson et module de Young similaires à ceux de la peau humaine et meilleurs que les polymères semi-conducteurs typiques. L'analyse rhéologique du film de mélange à température ambiante a montré que le matériau se comporte de manière similaire à un solide avec une réticulation de coordination métal-ion. La température de transition vitreuse du matériau était similaire à celle du caoutchouc PDMS typique.

Ils ont testé l'extensibilité du film à l'aide de tests cycliques de déformation répétés, et a attribué la dissipation d'énergie observée à la rupture de la liaison de coordination Fe(III)-PDCA pendant la relaxation de contrainte. Même après avoir allongé le film de mélange au-delà de 100 pour cent de déformation, il a retrouvé sa longueur initiale après une heure de repos en raison de la réorganisation des chaînes polymères. L'équipe a caractérisé la morphologie et la percolation électrique du film de mélange en utilisant la microscopie électronique à transmission. Suivi de la cartographie des éléments du matériau à l'aide de la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie pour identifier le soufre (S), pics de silicium (Si) et de fer (Fe). Les résultats ont indiqué une sensibilité élevée du matériau à la déformation, où l'élastomère absorbe la contrainte appliquée tout en conservant la région cristalline du film semi-conducteur, pour activer le mécanisme d'étirage proposé du film de mélange.

L'équipe de recherche a testé le transport de charge sensible à la contrainte du film semi-conducteur à l'aide de transistors organiques à couche mince (OTFT) par impression par transfert. Ils n'ont détecté aucune nanofissure dans le film transféré en utilisant la microscopie à force atomique (AFM) pour éliminer la possibilité de dommages mécaniques dus à la contrainte. Les scientifiques ont ensuite évaporé de l'or, un matériau d'électrode, sur le film de mélange et j'ai observé que le courant passant du transistor diminuait à mesure que le pourcentage de contrainte augmentait. Le facteur de jauge était le plus élevé à 5,7 x 10 ⁵ à 100 pour cent de tension, qui était la valeur la plus élevée rapportée pour les jauges de contrainte semi-conductrices, et comparable à l'état de l'art, jauges de contrainte à base de conducteurs. Les appareils ont montré un caractère courant-tension entièrement réversible et un comportement de cyclage reproductible, similaire à l'extensibilité de la peau humaine.

Jeune Oh et al. obtenu la caractéristique d'auto-guérison unique de la peau électronique grâce à une liaison dynamique de coordination métal-ligand. Pour tester la capacité d'auto-guérison, ils coupent le matériau (200 nm d'épaisseur) à température ambiante, l'a laissé pendant 24 heures et a observé la cicatrice disparaître de manière autonome. Le film cicatrisé a pu être étiré à plus de 200 % de déformation avant de se fracturer. Lorsqu'ils ont testé la propriété électrique du film semi-conducteur cicatrisé à l'aide d'une méthode de contact souple en OTFT, ils ont récupéré la mobilité à effet de champ du matériau cicatrisé. Relativement, couper un matériau semi-conducteur sans propriétés d'auto-guérison n'a pas conservé le comportement courant-tension de type transistor.

Pour activer le nouveau matériau semi-conducteur pour les applications e-peau, Jeune Oh et al. fabriqué un cinq par cinq entièrement extensible, réseau de transistors à matrice active sensible à la contrainte. Pour ça, ils ont construit une interconnexion hautement extensible et conductrice à l'aide d'une électrode en or extensible hautement conducteur (Au) et d'un élastomère de polystyrène pour des balayages multiples à grande vitesse sans retard ni perte de signal dans l'architecture à matrice active. Pour confirmer la fiabilité mécanique de l'électrode, ils ont effectué des tests cycliques répétés de jusqu'à 100 cycles sous une contrainte de 50 pour cent et ont obtenu des performances supérieures. L'appareil a montré des opérations de détection de contrainte réversibles pour récupérer complètement à l'état d'origine après avoir relâché la contrainte.

Pour les applications e-skin du réseau de capteurs de contrainte extensible, les scientifiques ont abaissé la tension de fonctionnement de l'appareil de -60 à -5 volts pour une durabilité à long terme et une sécurité médicale. Malgré la tension de seuil bas, l'appareil était sensible à la contrainte appliquée. Les performances d'étanchéité étaient une priorité pour éviter les dysfonctionnements de l'appareil au contact de la sueur ionique générée par la peau humaine ; ce qu'ils ont réalisé en utilisant un élastomère pour passiver le réseau de transistors du capteur cinq par cinq contre la sueur, suivi d'une immersion dans la sueur artificielle pendant 15 heures. Le système de détection monolithique pourrait cartographier en 3D la déformation de la peau électronique dans un processus de fabrication simplifié, combinant une architecture de capteur et de transistor en un seul appareil. Les chercheurs ont « poussé » la peau électronique pour quantifier les changements de courant du réseau de capteurs à matrice active et ont simulé la contrainte appliquée à l'aide de méthodes par éléments finis.

De cette façon, Jin Young Oh et ses collègues ont présenté une approche d'ingénierie sensible à la déformation, des films semi-conducteurs étirables et auto-cicatrisants pour former des réseaux de capteurs de contrainte à matrice active ressemblant à une peau. Le réseau composite de matériaux a fourni une sensibilité à la déformation au film mélangé. La coordination métal-ligand a permis au semi-conducteur d'être hautement extensible et de s'auto-réparer automatiquement à température ambiante. En utilisant le film semi-conducteur, les chercheurs ont développé une peau électronique qui détecte les déformations induites par la pression, à côté de la visualisation de la contrainte appliquée. L'e-skin synthétique était entièrement cicatrisable et capable de fonctionner dans une tension médicalement sûre, avec la possibilité d'incorporer des matériaux diélectriques à k élevé après une optimisation supplémentaire.

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