Dehnbare Gummidiode eröffnet Möglichkeiten für medizinische und elektronische Geräte

Von links nach rechts: Hyunseok Shim, Postdoktorandin am Penn State Department of Engineering Science and Mechanics (ESM), Cunjiang Yu, Dorothy Quiggle Career Development Associate Professor of Engineering Science and Mechanics und Associate Professor of Biomedical Engineering sowie of Materials Science and Engineering und Seonmin Jang, Doktorandin im Bereich ESM an der Penn State University, entwickelten eine vollständig gummiartige, dehnbare Diode, die die Leistung aufrechterhält. Bildnachweis: Jeff Xu/Penn State. Alle Rechte vorbehalten.

30. November 2022

Von Sarah Small

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – Wenn Sie diesen Artikel auf Ihrem Computer oder Telefon lesen, liegt das zum Teil an den Dioden. Dioden – typischerweise starre elektrische Komponenten, die elektrischen Strom problemlos in eine Richtung leiten – werden für eine Vielzahl kritischer elektronischer Funktionen verwendet, von der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und der Umwandlung von Energie von mechanisch in elektrisch bis hin zur Verwendung als Schalterkomponente, die digitale Anzeigen und mehr ermöglicht. Elektronische Geräte wie Robotik oder medizinische Geräte werden mit dem technologischen Fortschritt immer flexibler, daher haben Forscher der Penn State eine vollständig gummiartige, dehnbare Diode entwickelt, die die Leistung aufrechterhält.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in Science Advances.

„Diese Diode besteht vollständig aus dehnbaren Gummimaterialien – diese Gummimaterialstrategie ist der Schlüssel“, sagte die korrespondierende Autorin Cunjiang Yu, Dorothy Quiggle Career Development Associate Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik und außerordentliche Professorin für Biomedizintechnik sowie Materialwissenschaft und -technik . Seine Gruppe hat zuvor andere gummiartige elektronische Materialien entwickelt, beispielsweise Transistoren. „Durch die Entwicklung einer gummiartigen Diode haben wir unsere Bibliothek gummiartiger Elektronik bereichert, sodass wir der Herstellung integrierter elektrischer Schaltkreise und Systeme vollständig aus gummiartigen Materialien näher kommen können.“

Laut Yu können flexiblere Geräte sich eher wie biologisches Gewebe verhalten und so besser biointegrierte Geräte ermöglichen. Ein Beispiel könnte ein Soft-Patch-Gerät sein, das in das Herz implantiert werden könnte.

„Ein schlagendes Herz erzeugt elektrische Signale“, sagte er. „Mit einer gummiartigen Diode könnte ein Gerät Wechselstrom im Körper in Gleichstrom umwandeln, was derzeit nicht möglich ist.“

Um eine solche elektrische Leistung bei mechanischer Dehnung zu erreichen, hätten die Forscher laut Yu die Gerätearchitektur, die vertikalen Strukturen und das Layout rational überlegt. Neben den Vorteilen für flexiblere medizinische Geräte hat die Entwicklung auch Auswirkungen auf die Energieverwaltungssysteme in diesen medizinischen Geräten hin zu autarken Systemen.

„Aus Erntemaschinen gewonnene Energie muss immer korrigiert werden, bevor die Energie für die Nutzung gespeichert wird – und das ist in vielen aufstrebenden Bereichen wichtig“, sagte Yu.

Yu führte das alltägliche Beispiel von leuchtenden Turnschuhen an, die einen piezoelektrischen Energie-Harvester enthalten, um mechanische Energie – einen Schritt – in elektrische Energie umzuwandeln, um die LEDs zum Leuchten zu bringen. Eine Gleichrichterschaltung wandelt den gewonnenen Wechselstrom in nutzbaren Gleichstrom um.

„Forscher und Industrie verwenden herkömmliche Dioden, aber sie wollen etwas, das gedehnt werden kann, wie wir es in der Veröffentlichung berichten“, sagte er. „Solche gummiartigen Dioden eröffnen viele Möglichkeiten.“

Yu sagte, dass die nächsten Schritte darin bestehen, die Diode weiter zu optimieren und sie in komplexere Systeme zu integrieren.

„Wir wollen die Architekturen und Leistungen der Dioden verbessern und einen ungestörten Betrieb auch bei sehr großen mechanischen Dehnungen oder Verformungen erreichen“, sagte er. „Wir wollen diese Dioden nutzen, um kritische Geräteanforderungen in verschiedenen neuen Anwendungen wie Robotik und biomedizinischen Geräten zu erfüllen.“

Seonmin Jang und Hyunseok Shim, beide vom Department of Engineering Science and Mechanics an der Penn State, waren ebenfalls Autoren dieses Artikels. Das Office of Naval Research und die National Science Foundation finanzierten diese Forschung.

College of Engineering Media Relations

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