Растягивающиеся фотоэлементы для электронной «супер кожи»

Сверхчувствительная электронная кожа, разработанная изобретательницей Станфордского университета Женан Бао, становится еще более совершенной. Теперь ученая продемонстрировала, что, кроме фиксирования невообразимо легкого прикосновения, ее изобретение может распознавать химические и биологические молекулы. И теперь электронная кожа может получать энергию от новых растягивающихся фотоэлементов, которые она разработала в своей лаборатории. Это изобретение открывает новые возможности применения электронной кожи в одежде, роботах, протезах и т.д.

«Супер кожа» — вот что хочет создать изобретательница Станфордского университета Женан Бао. Она уже разработала гибкий сенсор, который настолько чувствителен, что может уловить даже касание мухи. Теперь она работает над возможностью распознавать химические вещества и ощущать различные виды биологических молекул. Кроме того, супер кожа будет обеспечивать сама себя энергией, используя полимерные фотоэлементы для генерирования электричества. И новые фотоэлементы не только гибкие, но и растягивающиеся: они могут растянуться до 30% от первоначального размера и вернуться в прежнее состояние без каких-либо повреждений или потерь энергии.

Действительно, супер кожа.
«Искусственная кожа может выполнить фактически любое желаемое действие, — рассказывает Бао, профессор химических технологий. – Потому я называю нашу кожу «супер кожа». Она предоставляет гораздо больше возможностей, чем мы можем ожидать от обычной кожи».

Основой искусственной кожи является гибкий органический транзистор, изготовленный из полимеров и материалов на основе углерода. Чтобы распознавать касания, транзистор содержит тонкий и очень эластичный слой резины, впрессованный в решетку из крошечных перевернутых пирамид. При нажатии этот слой меняет толщину, что изменяет и прохождение электрического тока в транзисторе. В зависимости от желаемого уровня чувствительности в сенсоре расположено от нескольких сотен тысяч до 25 миллионов пирамид на квадратный сантиметр.

Чтобы распознать определенную биологическую молекулу, поверхность транзистора должна быть покрыта другой молекулой, с которой будет связываться первая молекула во время контакта. Покрывающий слой должен быть толщиной лишь один или два нанометра.

«В зависимости от разновидности материала, который мы кладем на сенсор, и от изменения полупроводников в транзисторе, можно настроить сенсор на распознавание химических или биологических веществ», — объясняет Бао.

Группа ученых успешно продемонстрировала изобретение, распознав определенный тип ДНК. Исследователи сейчас работают над расширением возможностей для определения белков, что может оказаться полезным для целей медицинского диагностирования. По словам Бао, с каждой определенной болезнью ассоциируется один или более специфичных белков, называемых биологическими маркерами. Распознавание этих белковых биомаркеров даст нам возможность диагностировать болезнь. Этот же подход позволит сенсорам определять химикаты. Настраивая характеристики структуры транзистора, супер кожа может распознавать химические субстанции в парообразной или жидкой среде.

Вне зависимости от того, что определяют сенсоры, они должны передавать электронные сигналы для доставки данных в центр обработки, будь то человеческий мозг или компьютер.

Давая возможность сенсорам работать на солнечной энергии, можно упростить задачу генерирования необходимого электричества. Кроме того, этот вариант позволит отказаться от батарей или электросети и сделает сенсоры легче и мобильнее. А использование растягивающихся фотоэлементов открывает новые возможности применения.

Доклад Бао о растягивающихся фотоэлементах скоро появится в соответствующих научных изданиях. В нем детально описывается способность элемента растягиваться в одном направлении, но также ученая заявляет, что исследователям удалось создать элемент, способный растягиваться под двумя углами. У элементов волнистая микроструктура, которая растягивается, как аккордеон. Жидкометаллический электрод обеспечивает функционирование волнистой поверхности приспособления и в сжатом, и в растянутом состоянии.

«Одной из сфер, где растягивающиеся фотоэлементы будут полезными, является производство ткани для униформ и другой одежды, — объясняет Даррен Липоми, научный сотрудник лаборатории Бао и ведущий соавтор доклада. – Есть части тела, к примеру, на локтях, где движения растягивают кожу и одежду. Только гибкое и не растягивающееся устройство сломается, если будет согнуто на части машины или тела, которые растягиваются при движении». Способные растягиваться фотоэлементы будут полезны при использовании на искривленных поверхностях, где они не будут ломаться или сморщиваться, к примеру, на внешней части машин, линзах и архитектурных элементах. Фотоэлементы продолжают генерировать электричество и в растянутом состоянии, производя постоянный поток электричества для передачи данных от сенсоров.

По словам Бао, она считает супер кожу гораздо более совершенной, чем высоко мимическую человеческую кожу. Она позволит роботам или другим приспособлениям производить действия, недоступные для человеческой кожи.

«Представьте, что рука робота сможет трогать различные жидкости и распознавать определенные маркеры или белки, связанные с какой-либо болезнью, и робот сможет с высокой точностью определить, какой болезнью страдает человек, – говорит Бао. – Или робот потрогает чей-либо пот и скажет, пьян ли человек».

Кроме того, Бао придумала, как заменить материалы, использованные в более ранних версиях транзистора, биодеградирующими материалами. И теперь супер кожа станет не только подвижнее и действеннее, но и экологически чище.

Источник: physorg.com

Перевод: facepla.net