Nieuwe ultra-gevoelige elektronische huid kan de voetstappen van een vlieg voelen

Er zijn een heleboel mogelijke toepassingen voor een druk-gevoelig elektronisch materiaal die kan fungeren als een kunstmatige huid. Eerder hebben wetenschappers van de University of California, Berkeley een dergelijke technologie ontwikkeld. Daarbij maakten ze gebruik van kleine halfgeleidende nanodraadjes. Maar een andere groep wetenschappers die ook uit California komen hebben een gelijkaardige materiaal ontwikkeld die ook kan dienen voor een kunstmatige huid. Onderzoekers van Stanford University hebben een ultra-gevoelige, flexibele elektronische sensor ontwikkeld. Hij is zelfs in staat om te detecteren wanneer er een vlieg of een vlinder op neerstrijkt. Deze sensor kan ook in grote vellen gefabriceerd worden en kan dus gebruikt worden als een kunstmatige huid voor bijvoorbeeld bij protheses. Maar ook bij robots, touch-screens, in wagens, of bij andere medische toestellen.

Dit materiaal die deze wetenschappers ontwikkeld hebben is gebaseerd op organische elektronica. In het algemeen slaat de term organische elektronica op een tak van de elektronica die zich bezighoudt met geleidende polymeren of kunststoffen en met kleine moleculen. Kleine moleculen zijn chemische verbindingen bestaande uit organische elementen maar deze hebben een laag moleculair gewicht en worden hierdoor niet gedefinieerd als polymeren. Componenten die vallen onder de groep van de organische elektronica zijn opgebouwd uit organische stoffen. Organische stoffen zijn koolstof-gebaseerde stoffen en dergelijke elementen komen ook voor in alle levende wezens. In de traditionele elektronica gebruikt men hoofdzakelijk anorganische geleiders zoals bijvoorbeeld koper en silicium. Deze geleidende kunststoffen hebben in het algemeen de eigenschap dat deze flexibel zijn in tegenstelling tot de materialen die men gebruikt in de traditionele elektronica. Ook zijn deze materialen goedkoper. Nieuwe toepassingen voor de organische elektronica zijn bijvoorbeeld smart windows en elektronisch papier. Een minder gewenste eigenschap van de materialen die gebruikt worden in de organische elektronica is dat deze minder goed een elektrische stroom geleiden. Daarom zijn ze minder efficiënt als de anorganische geleiders. Maar door deze organische materialen te doperen met kleine hoeveelheden van andere materialen, kan de geleidbaarheid sterk verbeterd worden. Een materiaal die men inbrengt tijdens het doperen zijn kleine metaaldeeltjes van een metaal die een goede elektrische geleidbaarheid heeft.

Het materiaal die de wetenschappers van Stanford University ontwikkeld hebben is tot 1000 maal gevoeliger dan de menselijke huid. Het materiaal bestaat uit 3 lagen. En deze drie lagen zijn samen niet dikker dan één millimeter. De middelste laag is gemaakt van rubber en de twee buitenste lagen zijn twee elektrodes. Het oppervlak van de elektrodes, die zich tussen de elektrode en het rubber bevindt is niet mooi glad, maar er staan allemaal super-kleine piramides op. Eerst was dit oppervlak mooi vlak maar de onderzoekers ondervonden dat dit problemen gaf. Namelijk hierdoor heeft het materiaal geen ruimte op uit te zetten en te vervormen wanneer er een druk op uitgeoefend wordt. In de dunne laag van rubber, die zich tussen de elektrodes bevindt zitten de molecules relatief dicht bij elkaar en wanneer er dan een druk op uitgeoefend wordt en het materiaal heeft niet veel ruimte om uit te zetten, dan raken de lange molecules verstrikt. En deze verstrikte molecules zorgen er dan voor dat wanneer de druk wordt weggenomen, dat het materiaal niet terug zijn oorspronkelijke vorm aanneemt. Maar door deze super-kleine piramides heeft het rubber wel ruimte om uit te zetten en te vervormen. Deze micro-structuur zorgt ervoor dat het rubber zich gaat gedragen als een ideale veer.

Bij een sensor waarmee men druk wil gaan opmeten is de snelheid van de compressie en de rebound van cruciaal belang. Dit bepaalt of dat de sensor in staat is om verschillende indrukkingen te detecteren en deze te onderscheiden, ook wanneer deze indrukkingen elkaar snel opvolgen. In het rubber tussen de twee elektrodes wordt er een elektrische lading opgeslagen. Dit verschijnsel ligt onder andere ook aan de basis van de werking van condensatoren. Een condensator is een elektrische componenten opgebouwd uit twee geleiders, de elektrodes, met een relatief grote oppervlakte, die zich dicht bij elkaar bevinden en gescheiden zijn door een materiaal dat polariseerbaar is. Dit materiaal is het diëlektricum en hier bij deze kunstmatige huid is dit materiaal het rubber. Wanneer de ene elektrode positief geladen wordt ten opzichte van de andere, verplaatst de negatieve lading in het diëlektricum zich naar de positieve plaat, en omgekeerd. Daar worden de ladingen samengeperst. De grootte van de elektrische lading die kan opgeslagen worden tussen de twee elektrodes in een diëlektricum wordt bepaald door het oppervlak van de elektrodes, door de afstand tussen de elektrodes of dus de dikte van het diëlektricum en door de permittiviteit of de doorlaatbaarheid van het diëlektricum.

Bij deze kunstmatige huid, wanneer er een druk wordt uitgeoefend op het materiaal dan gaat het materiaal vervormen. Dus gaat ook de middelste laag, die gemaakt is van het rubber vervormen. Maar aangezien deze middelste laag fungeert als het diëlektricum bij een condensator heeft de vervorming ervan een aantal gevolgen. Want aangezien de lading die kan opgeslagen worden met deze condensator, in het diëlektricum, bepaald wordt door de dikte van het diëlektricum, zal ook deze opgeslagen lading gaan veranderen wanneer het materiaal vervormd. Deze verandering wordt gedetecteerd door de elektrodes. En aan de hand van deze verandering van de opgeslagen lading, kan men de uitgeoefende druk gaan opmeten. Op deze manier kan dit materiaal dus gebruikt worden als een druksensor.

Zhenan Bao, professor in de chemie, had de leiding over dit project, vertelt dat het mogelijk is om met deze huid te detecteren wanneer er een vlieg op zit, ook al weegt deze vlieg niet meer dan 20 milligram. Het grootste vel van dit materiaal die gemaakt werd tijdens dit project was wel maar 7 op 7 centimeter. Dit vel was wel enorm flexibel en dit indiceert dat het mogelijk is om een dergelijk vel rondom een bepaalde structuur te wikkelen en dat het zal blijven werken. Bao vertelt ook dat de vorm waarin de laag rubber gemaakt is, het bereik bepaald waarin er drukken kunnen opgemeten worden. De microstructuur die aangebracht wordt op het oppervlak tussen de elektrode en het rubber bevat meer dan 25 miljoen super-kleine piramides per vierkante centimeter. Deze grote dichtheid aan piramides laat toe om zeer kleine indrukkingen te gaan opmeten. Door deze dichtheid aan piramides nog te vergroten, denkt Bao dat het mogelijk zal zijn om de afbeelding te detecteren op een muntstuk, uiteraard wanneer er een muntstuk op geplaatst wordt. Dus is het eventueel mogelijk om dit te gebruiken om de toestand van een bepaald oppervlak te gaan opmeten. Een dergelijke hoge gevoeligheid zorgt ervoor dat deze technologie veel potentiële toepassingen heeft, bijvoorbeeld in medische applicaties zoals robotchirurgie. Een andere mogelijke toepassing vindt dat plaats in de wagen, bijvoorbeeld wanneer men het stuur bekleedt met een dergelijke sensor dan kan er opgemeten worden hoe stevig de bestuurder het stuur vast heeft. Want wanneer een bestuurder vermoeid of onder invloed is van alcohol of dergelijke of in slaap valt achter het stuur, dan verzwakt de greep van de bestuurder op het stuur. Dit kan opgemeten worden en zo kan er een automatische veiligheid ingeschakeld worden, deze kan bijvoorbeeld een alarm doen afgaan en/of de wagen doen afremmen of iets dergelijks. En op deze manier kan men een ongeval gaan voorkomen, of althans proberen een ongeval te voorkomen.

Het team heeft ook een nieuw soort transistor ontwikkeld waarbij men ook dit rubber gebruikt als vervanging voor het stijve metaal. Wanneer er druk uitgeoefend wordt op uitgeoefend op deze transistor dan verandert de grootte van de stroom die door deze transistor vloeit. Deze nieuwe transistor kan ook gebruikt worden in de fabricage van een kunstmatige huid.

Het team van Bao zet het onderzoek verder om verder mogelijke toepassingen te ontdekken voor deze nieuwe technologie. Ook zoekt men nog andere manieren waarmee ze de werking van deze materialen kan demonstreren. Men zoekt vooral naar manieren waarmee aangetoond kan worden dat deze technologie ideaal is om lichte en vluchtige indrukkingen te gaan detecteren. Een nieuwe demonstratie zou bijvoorbeeld kunnen zijn dat het mogelijk is om de bubbels die zich in champagne zitten te gaan detecteren.

via [news.stanford]