ウェアラブルヘルスデバイス用のレーザーで作られたグラフェン

グラフェン—優れた柔軟性と高い導電性を備えた単層の六角形に配置された炭素原子—は、将来の動き検出、触覚センシング、および健康監視デバイスの開発に影響を与える可能性があります。

いくつかの物質を炭素に変換して、レーザー放射によってグラフェンを生成することができます。レーザー誘起グラフェン（LIG）と呼ばれる、得られた製品は、元の材料によって決定される特定の特性を持つことができます。プラスチックの一種であるポリイミドのサンプルをレーザースキャンで照射しました。研究者は、レーザー処理プロセスのさまざまなパラメーターがさまざまなナノ構造をどのように作成するかを確認するために、出力、スキャン速度、パス数、およびスキャンラインの密度を変化させました。

研究者は、7.2ワットから約9ワットまでのより低い電力レベルが、多くの超微細層を備えた多孔質フォームの形成をもたらすことを発見しました。このLIGフォームは、電気伝導性と熱損傷に対するかなりの耐性を示しました。どちらの特性も、電子デバイスのコンポーネントに役立ちます。

電力を約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の束に変わりました。これらのバンドルは、レーザー出力の増加に伴って直径が大きくなり、出力が高くなると、ファイバーネットワークのウェブのような成長が促進されました。繊維状構造は、発泡体よりも優れた導電性を示した。このパフォーマンスの向上は、ファイバーの形状と相まって、センシングデバイスの可能性を開く可能性があります。繊維が導電性である限り、足場として使用できます。その後の表面の変更により、皮膚のブドウ糖センサーや傷の感染検出器など、さまざまなセンサーが有効になる可能性があります。

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、およびパスを変えることも、導電率とその後の性能に影響を与えました。より多くのレーザー曝露はより高い導電率をもたらしましたが、燃焼による過剰な炭化のために最終的に低下しました。

チームは、柔軟なLIG圧力センサーを設計、製造、およびテストしました。最初の設計では、銅電極を含む2つのポリイミド層の間に薄いLIGフォーム層を挟みました。圧力がかかると、LIGが発電しました。フォームのボイドにより、電気が移動する経路の数が減り、圧力源の位置を特定しやすくなり、繊細なタッチに対する感度が向上したように見えました。

このデザインは、手の甲または指に取り付けると、手の動きの曲がりや伸び、および心拍の特徴的な打楽器、潮汐、拡張期の波を検出しました。この脈拍の読み取り値を心電図の読み取り値と組み合わせて、カフなしで血圧測定値を得ることができます。

2番目の設計では、研究者はナノ粒子をLIGフォームに組み込みました。導体および絶縁体として機能できる半導体である二硫化モリブデンのこれらの小さな球は、フォームの感度と物理的な力に対する抵抗を強化しました。この設計は、繰り返し使用しても回復力があり、10,000回近く使用する前後でほぼ同じパフォーマンスを示しました。

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