آخرین مطالب

مواد بسیار سازگار می تواند منجر به کلاس های جدیدی از دستگاه های پوشیدنی، حسگرهای تشخیصی و موجودات ترکیبی بیولوژیکی-الکترونیکی شود —


محققان UCLA طرحی منحصربفرد از لایه های فوق نازک را برای غشاهای بیوالکترونیکی بسیار انعطاف پذیر و در عین حال قوی مکانیکی ایجاد کرده اند که می تواند راه را برای حسگرهای تشخیصی روی پوست که دقیقاً بر روی خطوط بدن قرار می گیرند و با حرکات آن مطابقت دارند، هموار کند.

علوم پایه اخیراً مقاله‌ای منتشر شده است که در آن تحقیقاتی که توسط Xiangfeng Duan، استاد شیمی و بیوشیمی انجام شده است، شرح داده شده است. و یو هوانگ، استاد و رئیس گروه علوم و مهندسی مواد در دانشکده مهندسی ساموئلی UCLA.

این غشاء که توسط نیروهای واندروالس، فعل و انفعالات بین مولکولی که فقط در فواصل بسیار نزدیک بین اتم‌ها یا مولکول‌ها انجام می‌شوند، در کنار هم نگه داشته می‌شود، این غشاء قابلیت کشش و سازگاری با بسترهای بیولوژیکی در حال تغییر پویا را دارد، در حالی که قابلیت تنفس و نفوذپذیری به آب و هوا را دارد. پیشرفت مواد الکترونیکی بادوام می تواند منجر به توسعه الکترونیک غیر تهاجمی برای پزشکی، مراقبت های بهداشتی، زیست شناسی، کشاورزی و باغبانی شود. محققان این ماده را لایه نازک واندروالس یا VDWTF نامیدند، که می‌تواند به عنوان یک پلتفرم اساسی برای موجودات زنده برای استفاده از قابلیت‌های الکترونیکی عمل کند.

دوان گفت: «از لحاظ مفهومی، غشاء مانند یک نسخه بسیار نازک‌تر از فیلم آشپزخانه است، با عملکرد الکترونیکی نیمه رسانا عالی و کشش‌پذیری غیرمعمول که به طور طبیعی با بافت‌های بیولوژیکی نرم با رابط‌های بسیار منطبق سازگار می‌شود. “این می تواند طیف متنوعی از کاربردهای حساس و سیگنالینگ قدرتمند را باز کند. به عنوان مثال، دستگاه های پوشیدنی نظارت بر سلامت ساخته شده با این ماده می توانند سیگنال های الکتروفیزیولوژیکی را در سطح ارگانیسم یا تا سطح سلول های منفرد ردیابی کنند.”

محققان چندین نمایش با استفاده از لایه‌های نازک ایجاد کردند، از جمله ترانزیستوری که در بالای برگ یک گیاه آبدار قرار داشت و الکترولیت‌های فراوان آن برای ایجاد مدار الکترونیکی استفاده شد. آنها همچنین یک ترانزیستور مشابه برای پوست انسان ایجاد کردند که از سلول های پوستی حاوی الکترولیت برای تکمیل مدار استفاده می کرد. علاوه بر این، تیم یک الکتروکاردیوگرام ابداع کرد که از دایره های کوچک فیلم روی ساعد راست و چپ فرد استفاده می کند و می تواند پلک زدن او را در حین مدیتیشن تشخیص دهد.

هوانگ گفت: “تظاهرات اثبات مفهوم ما با استفاده از لایه نازک واندروالس واقعاً فقط به امکانات بی شماری برای این ماده جدید اشاره می کند.” این غشاء می‌تواند به عنوان اتصالی برای رابط‌های انسان و ماشین، رباتیک پیشرفته و فناوری‌های مبتنی بر هوش مصنوعی که مستقیماً به هم متصل می‌شوند، عمل کند.

غشاهای الکترونیکی فوق نازک تقریباً 10 نانومتری از چندین لایه ورقه های نازک اتمی از ترکیب معدنی دی سولفید مولیبدن ساخته شده اند. ضخامت هر ورق فقط دو تا سه نانومتر است — بیش از 10000 برابر نازکتر از قطر یک تکه موی انسان.

کلید حفظ یکپارچگی ساختاری غشا و در عین حال نازک نگه داشتن آن در ساختار تکه‌کاری لایه‌ای منحصربه‌فرد آن نهفته است. لایه ها یک ورق پیوسته واحد نیستند، بلکه مجموعه ای از قطعات کوچکتر هستند.

این لایه ها به جای اینکه توسط پیوندهای کووالانسی سفت و سخت در جای خود ثابت شوند، توسط نیروهای واندروالس غیر پیوندی به هم متصل می شوند. این به ورق ها اجازه می دهد تا به طور مستقل روی یکدیگر بلغزند و بچرخند و انعطاف پذیری فوق العاده ای ایجاد می کند و در عین حال عملکرد الکترونیکی آنها دست نخورده باقی می ماند.

این طراحی همچنین غشاها را قادر می سازد تا روی هندسه های نامنظم کشیده و خم شوند. لایه‌های نازک می‌توانند به بافت‌های بیولوژیکی نرم بچسبند و بر روی توپولوژی‌های مقیاس میکرومتری خود قرار بگیرند، بدون اینکه پاره شوند یا در عملکرد غشاها تداخل ایجاد کنند، به طور یکپارچه با لایه‌های بیولوژیکی تغییر پویا مانند پوست ادغام می‌شوند و فعالانه با آنها سازگار می‌شوند.

تکه‌کاری لایه‌ای شبکه‌ای از نانوکانال‌ها را ایجاد می‌کند که به اندازه کافی بزرگ هستند تا مولکول‌های هوا و آب از آن‌ها عبور کنند و به ماده نفوذپذیری و قابلیت تنفس می‌دهد.

با ترکیب غیرمعمول عملکرد الکترونیکی و چکش‌خواری بالا، فیلم واندروالس به بسیاری از چالش‌های ارائه شده توسط سایر نامزدهای لایه‌های نازک بیوالکترونیک، مانند غشاهای معدنی یا لایه‌های نازک آلی، پاسخ می‌دهد. این جایگزین ها به دلیل ضخامت، عدم کشش پذیری، ناسازگاری برای ادغام با هندسه های نامنظم سطح بیولوژیکی، یا عملکرد ضعیف آنها در محیط های بیولوژیکی مرطوب محدود شده اند.

نویسندگان دیگر مقاله، همگی از UCLA، ژوئوچنگ یان، ژائوانگ لین، پیکی وانگ، بوچنگ کائو، هوایینگ رن، فرانک سونگ و چنگژانگ وانگ از گروه تحقیقاتی دوان هستند. و دونگ زو، لایوان وانگ و جینگ ژوان ژو از گروه تحقیقاتی هوانگ. و همچنین دانشجوی فارغ التحصیل مهندسی زیستی ژون ژائو و مشاورش جون چن، استادیار مهندسی زیستی در UCLA Samueli.

دوان و هوانگ هر دو عضو مؤسسه نانوسیستم‌های کالیفرنیا (CNSI) در UCLA هستند.

این تحقیق توسط صندوق کارآفرینی و نوآوری علوم فیزیکی UCLA، با حمایت اضافی از صندوق نوآوری خانواده نوبل CNSI پشتیبانی شد. نویسندگان از پشتیبانی فنی مرکز تصویربرداری الکترونیک در UCLA و مرکز تحقیقات نانوالکترونیک در UCLA استقبال می‌کنند.

گروه توسعه فناوری UCLA برای ثبت اختراع این فناوری درخواست داده است.