Kirigami e grafene permettono di realizzare sensori più resistenti per i dispositivi indossabili
Per ridurre i danni da stress subiti dai sensori dei dispositivi indossabili, un gruppo di ricercatori ha applicato al grafene la tecnica di piegatura e intaglio del kirigami, ottenendo risultati notevoli. Il materiale ottenuto è più resistente alle sollecitazioni e più adattabile ai movimenti.
I dispositivi indossabili sono sempre più diffusi, e sono sempre di più gli utenti che stanno sperimentando a proprie spese una delle maggiori debolezze di queste soluzioni. I sensori resistono poco allo stress e alle tensioni causate dal movimento quotidiano del corpo umano, con il risultato che si guastano. È quindi necessario sviluppare materiali resistenti all’usura a cui è sottoposto un oggetto che si indossa di continuo. I ricercatori del Grainger College of Engineering dell’Università dell’Illinois hanno trovato una possibile soluzione nella struttura dei kirigami, la tecnica orientale di intaglio e piegatura della carta che permette di ottenere forme tridimensionali a partire da un unico foglio. È simile all’origami, ma oltre alla piegatura della carta ne prevede anche il taglio.
Applicando questa tecnica ai materiali dei sensori per dispositivi indossabili, li si rende più resistenti alle sollecitazioni e più adattabili ai movimenti. Il team guidato da SungWoo Nam, professore associato di Ingegneria Meccanica e Scienze, e Keong Yong, ha applicato con successo la tecnica del kirigami al grafene per creare sensori adatti ai dispositivi indossabili. Nam spiega di avere utilizzato “tagli di kirigami per fornire estensibilità oltre alla normale deformabilità di un materiale, in modo da ottenere i migliori risultati di rilevamento”. Il movimento, inoltre, non genera segnali aggiuntivi in uscita che inficerebbero il corretto rilevamento.
Durante lo studio, il gruppo di ricerca ha condotto una serie di simulazioni in collaborazione con Narayana Aluru, professore di Ingegneria Meccanica e Scienze, che ha sviluppato un software che permette ai ricercatori di eseguire simulazioni prima di creare dispositivi reali.
Una volta individuato il design più funzionale, si è passati alla realizzazione pratica del prototipo. Il grafene era il materiale più promettente perché è sottile e resiste a deformazioni e rotture più dei metalli e di altri materiali convenzionali. I ricercatori hanno incapsulato uno strato di grafene tra due strati di poliimmide (lo stesso utilizzato per proteggere gli schermi degli smartphone pieghevoli). Una volta creato questo “sandwich”, hanno ingegnerizzato tagli di kirigami per migliorare l’elasticità del materiale.
“Poiché il grafene è sensibile ai cambiamenti esterni, ma è anche un conduttore flessibile, è interessante usarlo per creare sensori [perché] ha una sensibilità adatta per rilevare [elementi] come i livelli di glucosio o di ioni nel sudore”.
Il team ha scoperto che l’impiego del kirigami ha reso il grafene estensibile, sensibile alla tensione e privo di artefatti causati dal movimento. Questo significa che, anche se deformato, non vi è alcun cambiamento nel suo stato elettrico. In particolare, hanno scoperto che gli elettrodi di grafene presentano insensibilità fino al 240% della deformazione uniassiale o a 720 gradi di torsione. I risultati completi dello studio sono pubblicati su Materials Today.
Nella sperimentazione i ricercatori hanno posizionato l’elemento di rilevamento attivo su un’isola tra due “ponti” realizzati con il grafene kirigami. Il grafene non ha perso alcun segnale elettrico, nonostante la flessione e l’inclinazione a cui è stato sottoposto. Inoltre, si è preso carico dell’allungamento e dalla tensione, consentendo all’elemento sensibile attivo di rimanere collegato alla superficie. Il kirigami ha quindi dimostrato la capacità di ridistribuire le concentrazioni di stress, ottenendo attributi meccanici direzionali migliorati.
Ora i ricercatori stanno lavorando alla versione 2.0 e valutando la commercializzazione della tecnologia.