El grafeno, átomos de carbono dispuestos de forma hexagonal en una sola capa, con una flexibilidad superior y una alta conductividad, podría hacer avanzar la electrónica flexible, según un equipo de investigación internacional dirigido por Penn State. Huanyu "Larry" Cheng, catedrático de desarrollo profesional Dorothy Quiggle en el Departamento de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica (ESM) de la Universidad de Pensilvania, dirige esta colaboración, que ha publicado recientemente dos estudios que podrían servir de base para la investigación y el desarrollo de futuros dispositivos de detección de movimiento, detección táctil y control de la salud.
Investigar cómo el procesamiento por láser afecta a la forma y la función del grafeno
Varias sustancias pueden convertirse en carbono para crear grafeno mediante la radiación láser. Denominado grafeno inducido por láser (LIG), el producto resultante puede tener propiedades específicas determinadas por el material original. El equipo probó este proceso y sus resultados se pusieron a disposición en línea antes de su publicación en SCIENCE CHINA Technological Sciences "Effects of laser processing parameters on properties of laser-induced graphene by irradiating CO2 laser on polyimide".
Se irradiaron muestras de poliimida, un tipo de plástico, mediante escaneo láser. Los investigadores variaron la potencia, la velocidad de escaneo, el número de pasadas y la densidad de las líneas de escaneo. "Queríamos ver cómo los diferentes parámetros del proceso de procesamiento láser crean diferentes nanoestructuras", dijo Cheng. "La variación de la potencia nos permitió crear LIG en una estructura de fibra o de espuma".
Los investigadores descubrieron que los niveles de potencia más bajos, de 7,2 vatios a unos 9 vatios, daban lugar a la formación de una espuma porosa con muchas capas ultrafinas. Esta espuma LIG presentaba conductividad eléctrica y bastante resistencia al daño por calor, propiedades ambas que son útiles en los componentes de los dispositivos electrónicos.
Al aumentar la potencia de aproximadamente 9 vatios a 12,6 vatios, el patrón de formación de la LIG cambió de espuma a haces de fibras pequeñas. Estos haces aumentaron de diámetro con el aumento de la potencia del láser, mientras que una mayor potencia promovió el crecimiento de una red de fibras en forma de telaraña. La estructura fibrosa mostró una mejor conductividad eléctrica que la espuma. Según Cheng, este mayor rendimiento, combinado con la forma de la fibra, podría abrir posibilidades para los dispositivos de detección.
"En general, se trata de una estructura conductora que podemos utilizar para construir otros componentes", dijo Cheng. "Siempre que la fibra sea conductora, podemos utilizarla como andamio y hacer muchas modificaciones posteriores en la superficie para habilitar una serie de sensores, como un sensor de glucosa en la piel o un detector de infecciones para las heridas". La variación de la velocidad de barrido del láser, la densidad y las pasadas de la LIG formada a diferentes potencias también influyó en la conductividad y el rendimiento posterior. Una mayor exposición al láser dio lugar a una mayor conductividad, pero finalmente se redujo debido al exceso de carbonización por la combustión.
Demostración de un sensor LIG de bajo coste
Partiendo del estudio anterior, Cheng y su equipo se propusieron diseñar, fabricar y probar un sensor de presión LIG flexible.
"Los sensores de presión son muy importantes", afirma Cheng. "Podemos utilizarlos no sólo en los hogares y la fabricación, sino también en la superficie de la piel para medir muchas señales del cuerpo humano, como el pulso. También pueden utilizarse en la interfaz hombre-máquina para mejorar el rendimiento de las prótesis o controlar sus puntos de fijación".
El equipo probó dos diseños. En el primero, intercalaron una fina capa de espuma LIG entre dos capas de poliimida que contenían electrodos de cobre. Al aplicar la presión, el LIG generaba electricidad. Los huecos en la espuma redujeron el número de vías por las que viajaba la electricidad, lo que facilitó la localización de la fuente de presión y pareció mejorar la sensibilidad a los toques delicados.
Este primer diseño, cuando se fijaba al dorso de la mano o al dedo, detectaba los movimientos de flexión y estiramiento de la mano, así como las ondas de percusión, marea y diastólica características del latido del corazón. Según Cheng, esta lectura del pulso podría combinarse con la de un electrocardiograma para obtener mediciones de la presión arterial sin necesidad de un manguito.
En el segundo diseño, los investigadores incorporaron nanopartículas a la espuma LIG. Estas diminutas esferas de disulfuro de molibdeno, un semiconductor que puede actuar como conductor y aislante, mejoraron la sensibilidad de la espuma y su resistencia a las fuerzas físicas. Este diseño también era resistente al uso repetido, mostrando un rendimiento casi idéntico antes y después de casi 10.000 usos. Ambos diseños eran rentables y permitían una adquisición de datos sencilla, según Cheng.
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