UCLA-Forscher haben ein einzigartiges Design aus ultradünnen Filmen für hochflexible und dennoch mechanisch robuste bioelektronische Membranen entwickelt, die den Weg für diagnostische On-Haut-Sensoren ebnen könnten, die genau über die Konturen des Körpers passen und sich seinen Bewegungen anpassen.
Wissenschaft kürzlich ein Papier veröffentlicht, in dem die von Xiangfeng Duan, Professor für Chemie und Biochemie, gemeinsam geleitete Forschung beschrieben wird; und Yu Huang, Professor und Vorsitzender der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik an der UCLA Samueli School of Engineering.
Zusammengehalten durch Van-der-Waals-Kräfte, intermolekulare Wechselwirkungen, die nur bei extrem engen Abständen zwischen Atomen oder Molekülen stattfinden können, ist die Membran dehnbar und anpassungsfähig an sich dynamisch verändernde biologische Substrate, während sie atmungsaktiv und wasser- und luftdurchlässig ist. Die Weiterentwicklung des langlebigen elektronischen Materials könnte zur Entwicklung nichtinvasiver Elektronik für Medizin, Gesundheitswesen, Biologie, Landwirtschaft und Gartenbau führen. Die Forscher nannten das Material Van-der-Waals-Dünnschicht oder VDWTF, das als grundlegende Plattform für lebende Organismen dienen könnte, um elektronische Fähigkeiten zu übernehmen.
„Konzeptionell ist die Membran wie eine viel dünnere Version einer Frischhaltefolie für die Küche mit ausgezeichneter halbleitender elektronischer Funktionalität und ungewöhnlicher Dehnbarkeit, die sich auf natürliche Weise an weiches biologisches Gewebe mit hochgradig konformen Grenzflächen anpasst“, sagte Duan. „Es könnte eine Vielzahl von leistungsstarken Sensor- und Signalanwendungen eröffnen. Beispielsweise können tragbare Gesundheitsüberwachungsgeräte, die aus diesem Material gebaut sind, elektrophysiologische Signale auf der Ebene des Organismus oder bis hinunter zur Ebene einzelner Zellen genau verfolgen.“
Die Forscher erstellten mehrere Demonstrationen unter Verwendung der dünnen Filme, einschließlich eines Transistors, der auf dem Blatt einer Sukkulente saß, dessen reichlich vorhandene Elektrolyte zur Herstellung der elektronischen Schaltung verwendet wurden. Sie schufen auch einen ähnlichen Transistor für die menschliche Haut, der elektrolythaltige Hautzellen verwendete, um den Stromkreis zu vervollständigen. Darüber hinaus entwickelte das Team ein Elektrokardiogramm, das kleine Kreise des Films verwendet, die auf dem rechten und linken Unterarm einer Person platziert wurden, und deren Blinzeln während der Meditation erkennen konnte.
„Unsere Proof-of-Concept-Demonstrationen mit dem Van-der-Waals-Dünnfilm deuten wirklich nur auf die unzähligen Möglichkeiten für dieses neue Material hin“, sagte Huang. „Die Membran könnte als Verbindung für Mensch-Maschine-Schnittstellen, verbesserte Robotik und Technologien mit künstlicher Intelligenz dienen, die sich direkt verbinden. Dies könnte einen Weg zu synthetischen elektronisch-zellulären Hybriden eröffnen – Cyborg-ähnlichen lebenden Organismen mit elektronischen Verbesserungen.“
Die ultradünnen, etwa 10 Nanometer dünnen elektronischen Membranen bestehen aus mehreren Lagen atomar dünner Schichten der anorganischen Verbindung Molybdändisulfid. Jedes Blatt ist nur zwei bis drei Nanometer dick – mehr als 10.000 Mal dünner als der Durchmesser eines menschlichen Haares.
Der Schlüssel zur Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität der Membran bei gleichzeitiger Dünnheit liegt in ihrer einzigartigen mehrschichtigen Patchwork-Struktur. Die Schichten sind kein einzelnes durchgehendes Blatt, sondern eine Ansammlung kleinerer Stücke.
Anstatt durch starre kovalente Bindungen an Ort und Stelle gehalten zu werden, sind die Schichten durch nichtbindende Van-der-Waals-Kräfte lose verbunden. Dadurch können die Blätter unabhängig voneinander gleiten und sich übereinander drehen, wodurch eine außergewöhnliche Biegsamkeit entsteht, während ihre elektronische Funktionalität intakt bleibt.
Das Design ermöglicht es den Membranen auch, sich über unregelmäßige Geometrien zu dehnen und zu biegen. Die dünnen Filme können an weichen biologischen Geweben haften, die eng anliegend über ihre mikrometergroßen Topologien passen, nahtlos mit sich dynamisch verändernden biologischen Substraten wie Haut verschmelzen und sich aktiv an diese anpassen, ohne zu reißen oder die Funktionalität der Membranen zu beeinträchtigen.
Das geschichtete Patchwork schafft ein perkolierendes Netzwerk aus Nanokanälen, die groß genug sind, damit Luft- und Wassermoleküle durch sie hindurchtreten können, wodurch das Material seine Durchlässigkeit und Atmungsaktivität erhält.
Mit seiner ungewöhnlichen Kombination aus hoher elektronischer Leistung und Verformbarkeit adressiert der Van-der-Waals-Film viele Herausforderungen, die andere Kandidaten für bioelektronische Dünnfilme wie anorganische Membranen oder organische Dünnfilme stellen. Diese Alternativen waren durch ihre Dicke, mangelnde Dehnbarkeit, Unverträglichkeit, sich mit unregelmäßigen Geometrien biologischer Oberflächen zu verbinden, oder durch ihre schlechte Leistung in feuchten biologischen Umgebungen begrenzt.
Zhuocheng Yan et al., Hochdehnbare Van-der-Waals-Dünnfilme für anpassungsfähige und atmungsaktive elektronische Membranen, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abl8941