Un método de montaje flotante permite la fabricación de nanomembranas ultrafinas, elásticas y altamente conductoras

(IBS)-La electrónica de la piel requiere conductores estirables que satisfagan la conductividad similar al metal, alta capacidad de estiramiento, grosor ultradelgado y facilidad de patrón, pero es un desafío lograr estas características simultáneamente. Los investigadores desarrollaron un nuevo método de ensamblaje de flotadores para fabricar una nanomembrana que satisfaga todos estos requisitos simultáneamente. Las excepcionales propiedades del material se atribuyen a su estructura transversal única en la que una monocapa de nanomateriales ensamblados de forma compacta está parcialmente incrustada en una membrana de elastómero ultrafina.

Los “componentes electrónicos de la piel” son componentes electrónicos delgados y flexibles que se pueden montar en la piel. Si bien puede parecer algo salido de la ciencia ficción, se prevé que pronto dichos dispositivos puedan servir como dispositivos de próxima generación con una amplia gama de aplicaciones, como monitoreo de salud, diagnóstico de salud, realidad virtual e interfaz hombre-máquina.

Como era de esperar, 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 confiable y un rendimiento de alta calidad, se requiere un conductor extensible que presente un grosor ultrafino, conductividad similar al metal, alta capacidad de estiramiento y facilidad de patrón. A pesar de una extensa investigación, aún no fue posible desarrollar un material que posea todas estas propiedades simultáneamente, debido al hecho de que a menudo tienen compensaciones entre sí.

Dirigidos por el profesor HYEON Taeghwan y KIM Dae-Hyeong, los investigadores del Centro de Investigación de Nanopartículas del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en Seúl, Corea del Sur, dieron 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 ensamblaje por flotación». El conjunto de flotador aprovecha el efecto Marangoni, que se produce 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 en la superficie del agua disminuye la tensión superficial localmente, y el flujo de Marangoni resultante hace que el líquido que se cae 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, sobre 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 de Marangoni que se propaga hacia afuera y evita 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.

Su estructura única permite una distribución eficiente de la deformación en una película de caucho ultrafina, lo que genera excelentes propiedades físicas, como una capacidad de estiramiento de más del 1000% y un grosor de solo 250 nm. La estructura también permite la soldadura en frío y el apilamiento bicapa de la nanomembrana entre sí, lo que conduce a una conductividad similar a la del metal de más de 100.000 S / cm. Además, 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 consiste en nanocables de plata dentro de caucho de estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS), también es posible utilizar el método de ensamblaje por flotación 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.

Video: https://www.youtube.com/watch?v=nFRn5JC6W7k&t=9s

– Referencias

Dongjun Jung, Chaehong Lim, Hyung Joon Shim, Yeongjun Kim, Chansul Park, Jaebong Jung, Sang Ihn Han, Sung-Hyuk Sunwoo, Kyoung Won Cho, Gi Doo Cha, Dong Chan Kim, Ja Hoon Koo, Ji Hoon Kim, Taeghwan Hyeon, Dae-Hyeong Kim, «Nanomembrana elástica y altamente conductora para la electrónica de la piel», Ciencia (2021)

– Acerca del Instituto de Ciencias Básicas (IBS)
IBS fue fundado en 2011 por el gobierno de la República de Corea con el único propósito de impulsar el desarrollo de la ciencia básica en Corea del Sur. IBS tiene 31 centros de investigación a septiembre de 2020. Hay diez centros de física, tres de matemáticas, seis de química, seis de ciencias biológicas, uno de ciencias de la Tierra y cinco centros de investigación interdisciplinarios.

Figura 1. Fabricación de una nanomembrana altamente conductora y estirable utilizando un método de ensamblaje por flotador.(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, lo que resulta en el ensamblaje de 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 disolvente) 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.

Figura 2. Caracterización estructural y mecánica de la nanomembrana. (AD) Imagen de microscopio electrónico de barrido de los NW ensamblados fijados en la capa de elastómero ultrafina. (EM) La gran elasticidad de una nanomembrana autónoma para un estado original y estados estirados bajo una tensión del 250% y una tensión del 500%. La deformación aplicada es disipada principalmente por la capa de elastómero, en particular por zonas de cuña.