Graphène, atomes de carbone disposés de manière hexagonale en une seule couche avec une flexibilité supérieure et une conductivité élevée, pourrait faire progresser l'électronique flexible selon une équipe de recherche internationale dirigée par Penn State. Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle professeur de développement de carrière au département des sciences de l'ingénieur et de la mécanique (ESM) de Penn State, dirige la collaboration, qui a récemment publié deux études qui pourraient éclairer la recherche et le développement de la future détection de mouvement, dispositifs de détection tactile et de surveillance de la santé.

Étudier comment le traitement au laser affecte la forme et la fonction du graphène

Plusieurs substances peuvent être converties en carbone pour créer du graphène par rayonnement laser. Appelé graphène induit par laser (LIG), le produit résultant peut avoir des propriétés spécifiques déterminées par le matériau d'origine. L'équipe a testé ce processus et a publié ses résultats dans SCIENCE CHINE Sciences technologiques .

Des échantillons de polyimide, un type de plastique, ont été irradiés par balayage laser. Les chercheurs ont varié la puissance, vitesse de balayage, nombre de passes et densité des lignes de balayage.

« Nous voulions examiner comment différents paramètres du processus de traitement au laser créent différentes nanostructures, " a déclaré Cheng. " La variation de la puissance nous a permis de créer du LIG dans une structure en fibre ou en mousse. "

Les chercheurs ont découvert que des niveaux de puissance inférieurs, de 7,2 watts à environ 9 watts, conduit à la formation d'une mousse poreuse avec de nombreuses couches ultrafines. Cette mousse LIG présentait une conductivité électrique et une bonne résistance aux dommages causés par la chaleur, deux propriétés utiles dans les composants des appareils électroniques.

L'augmentation de la puissance d'environ 9 watts à 12,6 watts a changé le modèle de formation LIG de la mousse aux faisceaux de petites fibres. Ces faisceaux ont augmenté de diamètre avec une puissance laser accrue, tandis qu'une puissance plus élevée a favorisé la croissance d'un réseau à fibre optique semblable à celle du Web. La structure fibreuse a montré une meilleure conductivité électrique que la mousse. Selon Cheng, cette performance accrue combinée à la forme de la fibre pourrait ouvrir des possibilités pour les dispositifs de détection.

"En général, c'est un cadre conducteur que nous pouvons utiliser pour construire d'autres composants, " dit Cheng. " Tant que la fibre est conductrice, nous pouvons l'utiliser comme un échafaudage et faire beaucoup de modifications ultérieures sur la surface pour permettre un certain nombre de capteurs, comme un capteur de glucose sur la peau ou un détecteur d'infection pour les plaies."

Variation de la vitesse de balayage laser, La densité et les passes pour le LIG formé à différentes puissances ont également influencé la conductivité et les performances ultérieures. Une plus grande exposition au laser a entraîné une conductivité plus élevée, mais a finalement chuté en raison d'une carbonisation excessive due à la combustion.

Démonstration d'un capteur LIG à faible coût

En utilisant l'étude précédente comme base, Cheng et l'équipe se sont mis à concevoir, fabriquer et tester un capteur de pression LIG flexible. Ils ont communiqué leurs résultats dans SCIENCE CHINE Sciences technologiques .

"Les capteurs de pression sont très importants, " a déclaré Cheng. " Nous pouvons les utiliser non seulement dans les ménages et la fabrication, mais aussi sur la surface de la peau pour mesurer de nombreux signaux du corps humain, comme le pouls. Ils peuvent également être utilisés à l'interface homme-machine pour améliorer les performances des membres prothétiques ou surveiller leurs points d'attache."

L'équipe a testé deux modèles. Pour le premier, ils ont pris en sandwich une fine couche de mousse LIG entre deux couches de polyimide contenant des électrodes de cuivre. Lorsque la pression a été appliquée, l'électricité produite par le LIG. Les vides dans la mousse ont réduit le nombre de chemins parcourus par l'électricité, facilitant la localisation de la source de pression, et semblait améliorer la sensibilité aux touches délicates.

Cette première conception, lorsqu'il est attaché au dos de la main ou du doigt, détecté les mouvements de flexion et d'étirement de la main, ainsi que la percussion caractéristique, ondes de marée et diastoliques du rythme cardiaque. Selon Cheng, cette lecture du pouls pourrait être combinée avec une lecture d'électrocardiogramme pour donner des mesures de la pression artérielle sans brassard.

Dans la deuxième conception, les chercheurs ont incorporé des nanoparticules dans la mousse LIG. Ces minuscules sphères de bisulfure de molybdène, un semi-conducteur pouvant jouer le rôle de conducteur et d'isolant, amélioré la sensibilité et la résistance de la mousse aux forces physiques. Cette conception était également résistante à une utilisation répétée, montrant des performances presque identiques avant et après près de 10, 000 utilisations.

Les deux conceptions étaient rentables et permettaient une acquisition de données simple, selon Cheng.

Les chercheurs prévoient de continuer à explorer les conceptions en tant que dispositifs autonomes pour la surveillance de la santé ou en tandem avec d'autres équipements existants.