Man mano che i sensori indossabili diventano sempre più diffusi, la necessità di un materiale resistente ai danni causati dallo stress e dalle tensioni del movimento naturale del corpo umano diventa ancor più cruciale. A tal fine, i ricercatori dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign hanno sviluppato un metodo di adozione delle architetture di kirigami per aiutare i materiali a diventare più resistenti alle sollecitazioni e più adattabili ai movimenti.
Simile all’origami, l’arte più nota della piegatura della carta, il kirigami prevede il taglio oltre alla piegatura. Il team guidato da SungWoo Nam, professore associato di Ingegneria Meccanica e Scienze, e Keong Yong hanno applicato con successo architetture di kirigami al grafene, un materiale ultrasottile, per creare sensori adatti per dispositivi indossabili.
“Per ottenere i migliori risultati di rilevamento, non si desidera che il movimento generi ulteriori segnali in uscita”, ha osservato Nam. “Utilizziamo tagli di kirigami per fornire estensibilità oltre la normale deformabilità di un materiale. Questo particolare design è molto efficace nel disaccoppiare gli artefatti da movimento dai segnali desiderati.”
Per ottenere questi risultati, il team di ricerca è stato in grado di eseguire una serie di simulazioni collaborando con Narayana Aluru, professore di Ingegneria Meccanica e Scienze, e sviluppando software online su un nodo di nanotecnologia, il primo del suo genere ad essere sviluppato. La piattaforma software online consente ai ricercatori di eseguire simulazioni prima di creare dispositivi o piattaforme reali.
Una volta che il team ha escogitato un design che ha funzionato bene nella simulazione, era tempo di metterlo alla prova. Il grafene sembrava promettente come materiale perché poteva resistere a deformazioni e rotture significative rispetto ai metalli e ad altri materiali convenzionali. Poiché il grafene è un materiale atomicamente sottile, il team di ricerca è stato in grado di incapsulare lo strato di grafene tra due strati di poliimmide (lo stesso materiale utilizzato per proteggere gli smartphone pieghevoli). Una volta creato il “sandwich”, hanno successivamente ingegnerizzato tagli di kirigami per migliorare l’elasticità del materiale.
“Poiché il grafene è sensibile ai cambiamenti esterni, ma anche un conduttore semimetrale flessibile, le persone sono molto interessate a creare sensori da esso”, ha detto Nam. “Questa sensibilità è adatta per rilevare ciò che ti circonda, come i livelli di glucosio o di ioni nel sudore.”
Il team ha scoperto che l’adozione di un’architettura di kirigami ha reso il grafene non solo estensibile, ma anche sensibile alla tensione e privo di artefatti da movimento, il che significa che anche se deformato, non vi è stato alcun cambiamento nello stato elettrico. In particolare, hanno scoperto che gli elettrodi di grafene presentavano insensibilità alla deformazione fino al 240% di deformazione uniassiale o 720 gradi di torsione.
Hanno pubblicato i risultati del loro studio su Materials Today .
“La cosa interessante del kirigami è che quando lo allunghi, crei un’inclinazione fuori dal piano”, ha detto Nam. “Ecco come la struttura può subire deformazioni così grandi.”
Nel loro progetto, i ricercatori hanno posizionato l’elemento di rilevamento attivo su un’isola tra due “ponti” realizzati con il kirigami graphene. Sebbene il grafene non abbia perso alcun segnale elettrico nonostante la flessione e l’inclinazione, ha comunque colto il carico dall’allungamento e dalla tensione, consentendo all’elemento sensibile attivo di rimanere collegato alla superficie. Come tale, il kirigami ha la capacità unica di ridistribuire le concentrazioni di stress, ottenendo in tal modo attributi meccanici direzionali migliorati.
Mentre il team di ricerca ha dimostrato con successo il metodo di base, stanno già lavorando al miglioramento della versione 2.0 con la possibilità di commercializzare la tecnologia.
Il team ha anche ottenuto risultati positivi usando il polidimetilsilossano (PDMS) come strati sandwich e ritiene che, oltre al grafene, il design potrebbe estendersi anche ad altri materiali sottili dal punto di vista atomico come i dichalcogenides dei metalli di transizione.