Laser-induziertes Graphen: Wearable Health Tech revolutionieren

Graphen – hexagonal angeordnete Kohlenstoffatome in einer einzelnen Schicht mit überlegener Biegsamkeit und hoher Leitfähigkeit – könnte die Entwicklung zukünftiger Bewegungsdetektion, taktiler Sensorik und Gesundheitsmonitoring-Geräte beeinflussen.

Mehrere Substanzen können durch Laserstrahlung in Kohlenstoff umgewandelt werden, um Graphen zu erzeugen. Man nennt es laser-induziertes Graphen (LIG), das resultierende Produkt kann spezifische Eigenschaften haben, die durch das Ausgangsmaterial bestimmt werden. Proben von Polyimid, einer Kunststoffart, wurden durch Laserscanning bestrahlt. Die Forscher variierten die Leistung, Scangeschwindigkeit, Anzahl der Durchgänge und Dichte der Scanzeilen, um zu sehen, wie verschiedene Parameter des Laserverarbeitungsprozesses unterschiedliche Nanostrukturen erzeugen.

Die Forscher fanden heraus, dass niedrigere Leistungsstufen, von 7,2 Watt bis etwa 9 Watt, zur Bildung eines porösen Schaums mit vielen ultrafeinen Schichten führten. Dieser LIG-Schaum zeigte elektrische Leitfähigkeit und eine faire Beständigkeit gegen Hitzeschäden – beides Eigenschaften, die in Komponenten elektronischer Geräte nützlich sind.

Die Erhöhung der Leistung von etwa 9 Watt auf 12,6 Watt veränderte das LIG-Bildungsmuster von Schaum zu Bündeln kleiner Fasern. Diese Bündel wuchsen mit zunehmender Laserleistung im Durchmesser, während höhere Leistung das netzartige Wachstum eines Fasernetzwerks förderte. Die faserige Struktur zeigte bessere elektrische Leitfähigkeit als der Schaum. Diese erhöhte Leistung, kombiniert mit der Faserform, könnte Möglichkeiten für Sensorgeräte eröffnen. Solange die Faser leitfähig ist, kann sie als Gerüst verwendet werden; nachfolgende Modifikationen an der Oberfläche könnten eine Reihe von Sensoren ermöglichen, wie einen Glukosesensor auf der Haut oder einen Infektionsdetektor für Wunden.

Die Variation der Laserscangeschwindigkeit, Dichte und Durchgänge für das bei unterschiedlichen Leistungen gebildete LIG beeinflusste auch die Leitfähigkeit und die nachfolgende Leistung. Mehr Laserexposition führte zu höherer Leitfähigkeit, fiel aber schließlich aufgrund übermäßiger Karbonisierung durch Verbrennen ab.

Das Team entwarf, fertigte und testete einen flexiblen LIG-Drucksensor. Für das erste Design sandwichten sie eine dünne LIG-Schaumschicht zwischen zwei Polyimidschichten mit Kupferelektroden. Bei Druckaufbringung erzeugte der LIG Strom. Die Hohlräume im Schaum reduzierten die Anzahl der Wege für den Stromfluss, was die Lokalisierung der Druckquelle erleichterte und die Empfindlichkeit für feine Berührungen zu verbessern schien.

Dieses Design, am Handrücken oder Finger angebracht, detektierte Biege- und Dehnbewegungen der Hand sowie die charakteristischen Perkussions-, Flut- und Diastolischen Wellen des Herzschlags. Diese Pulsmessung könnte mit einem EKG kombiniert werden, um blutdruckmessungen ohne Manschette zu erzielen.

Im zweiten Design integrierten die Forscher Nanopartikel in den LIG-Schaum. Diese winzigen Kugeln aus Molybdändisulfid, einem Halbleiter, der als Leiter und Isolator fungieren kann, verbesserten die Empfindlichkeit und Beständigkeit gegen physikalische Kräfte des Schaums. Dieses Design war auch widerstandsfähig gegen wiederholte Nutzung und zeigte nahezu identische Leistung vor und nach fast 10.000 Anwendungen.