Команда под руководством Хуанью «Ларри» Ченга, профессора по развитию карьеры Дороти Квиггл Департамента инженерных наук и механики штата Пенсильвания, опубликовала свои результаты в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
«В этой статье мы сообщаем о простой, но универсально применимой технологии изготовления с использованием нового слоя вспомогательного спекания, позволяющего осуществлять прямую печать для датчиков на теле», – сказал первый автор Лин Чжан, исследователь из Харбинского технологического института в Китае. и в лаборатории Ченга.
Ченг и его коллеги ранее разработали гибкие печатные платы для использования в носимых датчиках, но печать непосредственно на коже была затруднена из-за процесса соединения металлических компонентов датчика. Этот процесс, называемый спеканием, обычно требует температуры около 572 градусов по Фаренгейту (300 градусов по Цельсию) для соединения наночастиц серебра датчика.
«Очевидно, что поверхность кожи не выдерживает такой высокой температуры», – сказал Ченг. «Чтобы обойти это ограничение, мы предложили вспомогательный слой для спекания – то, что не повредит кожу и может способствовать спеканию материала при более низкой температуре."
При добавлении наночастиц к смеси частицы серебра спекаются при более низкой температуре около 212 F (100 C).
«Это можно использовать для печати датчиков на одежде и бумаге, что полезно, но это все еще выше, чем мы можем выдержать при температуре кожи», – сказал Ченг, отметив, что около 104 F (40 C) все еще может сжечь кожные ткани. «Мы изменили формулу вспомогательного слоя, изменили печатный материал и обнаружили, что можем спекать при комнатной температуре."
Слой добавки для спекания при комнатной температуре состоит из пасты из поливинилового спирта – основного ингредиента отслаивающихся масок для лица – и карбоната кальция, в состав которого входит яичная скорлупа. Слой уменьшает шероховатость поверхности печати и позволяет создавать ультратонкий слой металлических рисунков, которые могут сгибаться и складываться, сохраняя при этом электромеханические возможности. Когда датчик напечатан, исследователи используют воздуходувку, такую как фен, установленный на холоде, для удаления воды, которая используется в качестве растворителя в чернилах.
"Результат впечатляет", – сказал Ченг. "Нам не нужно полагаться на тепло для спекания."
По словам Ченга, датчики способны точно и непрерывно регистрировать температуру, влажность, уровень кислорода в крови и сигналы сердечной деятельности. Исследователи также соединили датчики на теле в сеть с возможностью беспроводной передачи, чтобы отслеживать комбинацию сигналов по мере их прохождения.
По словам Ченг, этот процесс также является экологически чистым.
Датчик остается надежным в прохладной воде в течение нескольких дней, но горячий душ легко его снимет.
«Его можно переработать, поскольку удаление устройства не повредит», – сказал Ченг. "И, что немаловажно, удаление не повреждает кожу.
Это особенно важно для людей с чувствительной кожей, таких как пожилые люди и дети. Устройство может быть полезным, не создавая дополнительной нагрузки для человека, использующего его, или для окружающей среды."
Затем исследователи планируют изменить технологию для конкретных приложений по мере необходимости, таких как точная сеть датчиков на теле, размещенная для отслеживания конкретных симптомов, связанных с COVID-19.