Billig, Druck

Sep 09, 2023

In einer Reihe von Demonstrationen (veröffentlicht in Nature Materials) stellten Wissenschaftler des Multiscale Biomimetic Systems Laboratory der Seoul National University eine druckempfindliche Membran vor, die empfindlich genug ist, um den Fall von Wassertropfen, einen menschlichen Puls im Handgelenk und sogar das zu spüren flüsterleichter Schritt eines Marienkäfers, der über die „elektronische Haut“ läuft.

Das Gerät besteht aus zwei Schichten Polyurethan-Acrylat. Die Blätter, die bis zu 9 mal 13 Zentimeter groß sein können, werden auf dichte Anordnungen winziger Polymerhaare mit einem Durchmesser von jeweils 100 Nanometern und einer Höhe von 1000 Nanometern geformt. Jedes der Haare ist mit einer 20-nm-Platinschicht überzogen und an eine Basalmembran (mit Polydimethylsiloxan behandelt, um die Leitfähigkeit zu erhöhen) gebunden.

Die beiden Flimmerblätter werden dann wie zwei Klettverschlussstücke einander gegenüberliegend verbunden. Die Fasern der oberen Schicht greifen in die Fasern der unteren Schicht ein. Doch statt einer mechanischen Klettbindung werden die Blätter durch die Van-der-Waals-Anziehung stark (aber reversibel) zusammengehalten. Das Nanofaser-Sandwich leitet den Strom zwischen den Schichten und der Widerstand ändert sich, wenn die gesamte Kontaktfläche zwischen den ineinandergreifenden Haaren variiert. Durch Berühren, Drücken oder Drehen der Basalmembran reiben und biegen sich die vernetzten Nanohaare, und die wechselnde Strömung zeigt, was vor sich geht. Da orthogonaler Druck, seitliche Scherung und Torsion unterschiedliche Reaktionskurven erzeugen, kann das Gerät tatsächlich den Unterschied zwischen einem Stoß, einer Reibung und einer Drehung erkennen.

Die Gauge-Faktoren des Systems – die Widerstandsänderung aufgrund von Dehnungsänderungen – betrugen etwa 11,5 für direkten Druck, 0,75 für Scherung und 8,53 als Reaktion auf Torsion. Im Vergleich dazu haben Direktdrucksensoren auf Graphenfolienbasis einen Gauge-Faktor von etwa 6,1, bei herkömmlichen Metallfoliensensoren liegt der Faktor bei etwa 2,0. (Beachten Sie, dass diese anderen Sensoren Dehnungen nur in einer Richtung erfassen. Damit sie Druck, Scherung und Torsion erfassen können, müssen sie speziell mit separaten Sensoren für jede Dehnungsrichtung hergestellt werden.)

Zusammenfassend sagen die Forscher: „Der Nano-Verriegelungsmechanismus erfordert keine komplexen integrierten Nanomaterialbaugruppen oder Schichtanordnungen und ermöglicht so eine einfache, kostengünstige und dennoch robuste Sensorplattform für leistungsstarke, großflächige Dehnungsmesssensoren.“

Foto: Changhyun Pang / Seoul National University