Nanomatériau de carbone conforme et conducteur pour l’électronique sur la peau

Une “e-skin” électronique douce et flexible, si sensible qu’elle peut détecter la différence de température infime entre une inspiration et une expiration, pourrait constituer la base d’une nouvelle forme de biocapteur sur la peau. Le matériau ultrafin est également sensible au toucher et aux mouvements du corps, suggérant un large éventail d’applications potentielles.

“La peau joue un rôle vital dans nos interactions avec le monde”, explique Vincent Tung de KAUST, qui a dirigé les travaux. “Recréer ses propriétés dans une peau électronique pourrait avoir de profondes implications pour l’électronique portable, ainsi que pour les prothèses sensorielles, la robotique douce et les interfaces homme-machine”, dit-il.

Malgré des efforts de recherche considérables, il a été très difficile de créer des matériaux appropriés, qui doivent être solides et très sensibles, mais imperceptibles lorsqu’ils sont appliqués sur la peau.

Un nanomatériau de carbone appelé graphdiyne à substitution hydrogène (HsGDY) pourrait être idéal pour cette tâche, comme l’ont montré Tung et ses collaborateurs. Cette feuille bidimensionnelle d’atomes de carbone présente des similitudes avec le graphène en termes de résistance et de conductivité électrique, mais présente également des différences essentielles, note Tung. La structure de carbone serrée en nid d’abeille du graphène confère au matériau sa rigidité. En revanche, la structure atomique “en pont d’îlot” de HsGDY de régions rigides reliées par de minces ponts polymères devrait en théorie fournir une douceur et une flexibilité inhérentes idéales pour les applications sur la peau.

“La mise en œuvre de HsGDY dans e-skin a longtemps été vantée par les théoriciens, mais n’avait pas encore été démontrée expérimentalement”, a déclaré Tung. L’équipe a d’abord développé une nouvelle stratégie de synthèse pour former de grandes feuilles HsGDY uniformes. “La clé était notre utilisation d’un catalyseur de cuivre monocristallin à structure atomique pour coupler les éléments constitutifs moléculaires du matériau”, explique Tung.

L’équipe a pu montrer ce que la théorie avait prédit : le matériau résultant était hautement torsible, extensible et mécaniquement durable. “Avec une épaisseur d’environ 18 nanomètres, notre peau électronique représente une fraction de l’épaisseur de la peau humaine, permettant un contact conforme et une adhésion à long terme au corps avec un maximum de flexibilité et de confort”, a déclaré Tung.

La structure atomique en îlot du matériau contribue non seulement à la nature douce et flexible du HsGDY, mais est également essentielle à ses propriétés électroniques, ajoute Tung. Les ponts forment des canaux de conduction ultrafins qui se déforment facilement, entraînant des changements importants du signal électrique lorsque le matériau est étiré par un toucher doux ou même par un changement de température.

“L’excellente sensibilité et la conformabilité permettent de visualiser la minuscule déformation causée par la différence de température entre l’inspiration et l’expiration, montrant un potentiel prometteur pour des applications cliniques pratiques”, a déclaré Tung.

L’article est publié dans la revue ACS Nano.