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レーザー誘起グラフェン:ウェアラブルヘルステックに革命を

グラフェン——優れた柔軟性と高い導電性を持つ六方最密充填構造の単層炭素原子——は、将来の動作検出、触覚センシング、健康モニタリングデバイスの開発に影響を与える可能性があります。

レーザー誘起グラフェン:ウェアラブルヘルステックに革命を

いくつかの物質はレーザー照射により炭素化されグラフェンを生成できます。レーザー誘起グラフェン(LIG)と呼ばれるこの生成物は、元の材料によって特定の特性を持ちます。ポリイミド(一種のプラスチック)サンプルをレーザースキャンで照射。研究者たちはレーザー出力、スキャン速度、パス数、スキャンライン密度を変化させ、レーザー処理パラメータの違いがどう異なるナノ構造を生むかを調べました。

研究者たちは、約7.2ワットから9ワットの低出力レベルでは、多数の超微細層を持つ多孔質フォームが形成されることを発見しました。このLIGフォームは電気伝導性と耐熱性を示し、電子デバイスコンポーネントとして有用な両特性を備えます。

出力を約9ワットから12.6ワットに増やすと、LIG形成パターンがフォームから小さな繊維束に変化。繊維束はレーザー出力増加とともに直径が大きくなり、より高出力では繊維ネットワークの網目状成長が促進されます。繊維構造はフォームより優れた電気伝導性を示しました。この性能向上と繊維の形状が組み合わさることで、センシングデバイスの可能性が開かれます。繊維が導電性である限り、足場として使用可能;表面への後続修飾で、皮膚上のグルコースセンサーや創傷感染検出器など多様なセンサーを実現できます。

異なる出力で形成されたLIGのレーザースキャン速度、密度、パス数の変化も伝導性と後続性能に影響しました。レーザー露光増加で伝導性は向上しましたが、過剰炭化(焼損)により最終的に低下しました。

チームは柔軟LIG圧力センサーを設計・製作・テストしました。最初の設計では、銅電極を含む2層のポリイミド間に薄いLIGフォーム層をサンドイッチしました。圧力が加わると、LIGが発電しました。フォームの空隙が電気の通り道を減らし、圧力源の局在化を容易にし、繊細なタッチへの感度を向上させたようです。

この設計を手の甲や指に装着すると、手の曲げ伸ばし動作だけでなく、心拍の特徴的な打撃波、潮汐波、拡張波を検出しました。この脈波読み取りは、心電図読み取りと組み合わせると、カフなしで血圧測定が可能になります。

2番目の設計では、研究者たちはLIGフォームにナノ粒子を組み込みました。導体と絶縁体の両方として働く半導体、二硫化モリブデンの微小球体が、フォームの感度と物理的力への耐性を向上させました。この設計も繰り返し使用に強く、ほぼ10,000回使用前後でほぼ同一性能を示しました。

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