Mit Lasern hergestelltes Graphen für tragbare Gesundheitsgeräte

Graphen – hexagonal angeordnete Kohlenstoffatome in einer einzigen Schicht mit hervorragender Biegsamkeit und hoher Leitfähigkeit – könnte die Entwicklung zukünftiger Bewegungserkennungs-, Tastsensor- und Gesundheitsüberwachungsgeräte beeinflussen.

Mehrere Substanzen können durch Laserstrahlung in Kohlenstoff umgewandelt werden, um Graphen zu erzeugen. Das resultierende Produkt, das als laserinduziertes Graphen (LIG) bezeichnet wird, kann spezifische Eigenschaften aufweisen, die durch das ursprüngliche Material bestimmt werden. Proben aus Polyimid, einer Art Kunststoff, wurden durch Laserscanning bestrahlt. Die Forscher variierten die Leistung, die Scangeschwindigkeit, die Anzahl der Durchgänge und die Dichte der Scanlinien, um zu sehen, wie verschiedene Parameter des Laserbearbeitungsprozesses 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 wies eine elektrische Leitfähigkeit und eine angemessene Beständigkeit gegen Hitzeschäden auf – beides Eigenschaften, die in Komponenten elektronischer Geräte nützlich sind.

Das Erhöhen der Leistung von etwa 9 Watt auf 12,6 Watt änderte das LIG-Bildungsmuster von Schaum zu Bündeln kleiner Fasern. Diese Bündel wurden mit zunehmender Laserleistung im Durchmesser größer, während eine höhere Leistung das netzartige Wachstum eines Fasernetzwerks förderte. Die Faserstruktur zeigte eine bessere elektrische Leitfähigkeit als der Schaum. Diese gesteigerte Leistung, kombiniert mit der Form der Faser, könnte Möglichkeiten für Sensorgeräte eröffnen. Solange die Faser leitfähig ist, kann sie als Gerüst verwendet werden; Nachträgliche Modifikationen an der Oberfläche könnten eine Reihe von Sensoren ermöglichen, wie z. B. einen Glukosesensor auf der Haut oder einen Infektionsdetektor für Wunden.

Das Variieren der Laserabtastgeschwindigkeit, -dichte und -durchläufe für das bei unterschiedlichen Leistungen gebildete LIG beeinflusste auch die Leitfähigkeit und die nachfolgende Leistung. Eine stärkere Laserbelichtung führte zu einer höheren Leitfähigkeit, die jedoch aufgrund der übermäßigen Verkohlung durch das Verbrennen schließlich abfiel.

Das Team entwarf, fertigte und testete einen flexiblen LIG-Drucksensor. Für das erste Design schichteten sie eine dünne LIG-Schaumschicht zwischen zwei Polyimidschichten, die Kupferelektroden enthielten. Unter Druck erzeugte das LIG Strom. Die Hohlräume im Schaum verringerten die Anzahl der Stromwege, was die Lokalisierung der Druckquelle erleichterte, und schienen die Empfindlichkeit gegenüber zarten Berührungen zu verbessern.

Wenn dieses Design auf dem Handrücken oder dem Finger befestigt wurde, erkannte es Beuge- und Streckbewegungen der Hand sowie die charakteristischen Perkussions-, Gezeiten- und diastolischen Wellen des Herzschlags. Diese Pulsmessung könnte mit einer Elektrokardiogrammmessung kombiniert werden, um Blutdruckmessungen ohne Manschette zu ermöglichen.

Beim zweiten Design bauten die Forscher Nanopartikel in den LIG-Schaum ein. Diese winzigen Kugeln aus Molybdändisulfid, einem Halbleiter, der als Leiter und Isolator fungieren kann, verbesserten die Empfindlichkeit und Widerstandsfähigkeit des Schaums gegenüber physikalischen Kräften. Dieses Design war auch bei wiederholter Verwendung widerstandsfähig und zeigte vor und nach fast 10.000 Verwendungen nahezu identische Leistung.