Sensor de alta tensión desarrollado con nanotubos de carbono

Sensor de alta tensión desarrollado con nanotubos de carbono


Los compuestos de polímero conductor (CPC) se pueden diseñar en sistemas de sensores flexibles debido a su excelente flexibilidad y sensibilidad a la estimulación externa. Un estudio reciente, disponible como prueba preliminar en la revista Carbon, se centra en la creación de un sensor multifuncional basado en CPC compuestos por poliuretano termoplástico (TPU) y nanotubos de carbono (CNT).

Sensor multimodo altamente extensible desarrollado con nanotubos de carbono​​​​​​

​​​​​​Estudio: Compuestos de nanotubos de carbono/poliuretano termoplástico poroso altamente dúctil como sensor multimodo. Crédito de la foto: nevodka/Shutterstock.com

¿Qué son los sensores estirables?

Debido a la demanda urgente de interfaces electrónicas, pantallas adaptables, relojes inteligentes y sistemas robóticos flexibles, la producción de sensores extensibles que pueden usarse para detectar estímulos externos está creciendo rápidamente. La extensibilidad es crítica porque hace que los dispositivos sean más convenientes y efectivos cuando se usan en aplicaciones de salud humana y detección de movimiento. En los últimos años, han surgido varios enfoques para fabricar dispositivos sensores estirables con diseño estructural detallado y refinamiento de materiales.

Uso de compuestos poliméricos conductores (CPC)

Los compuestos de polímeros conductores (CPC), que están compuestos por polímeros elásticos y materiales conductores, se encuentran entre los mejores candidatos para construir detectores estirables debido a su excelente maquinabilidad, resistencia al desgaste, rentabilidad, alta flexibilidad y adaptabilidad. Los CPC son altamente estirables debido a su polímero elástico, mientras que los elementos conductores actúan como componentes de detección en respuesta a estímulos ambientales como tensión, presión, temperatura y humedad.

Limitaciones de los sensores extensibles tradicionales basados ​​en CPC

Los sensores flexibles convencionales basados ​​en CPC se fabrican mediante la inyección mecánica de materiales conductores, específicamente nanopartículas de carbono, en un material de matriz flexible y elástico para crear un material compuesto conectado tridimensional (3D). Cuando los sensores se exponen a estímulos externos, las redes conductoras internas cambian a medida que la matriz polimérica se deforma, lo que da como resultado un cambio en las señales electrónicas.

Sin embargo, para construir un sistema de guía 3D adecuado, los CPC llenos de nanopartículas carbonosas a menudo requieren una cantidad significativa de nanopartículas conductoras, lo que resulta en una mejora en la procesabilidad y una reducción en la movilidad del CPC. Además, es difícil distribuir uniformemente nanopartículas conductoras inorgánicas en una matriz polimérica debido a la escasa compatibilidad. Esto, a su vez, afecta el rendimiento del sensor y el uso operativo de los dispositivos sensores.

Desarrollo de un novedoso sensor extensible multimodal

Para hacer frente a las limitaciones de los sensores estándar basados ​​en CPC, es necesario delinear una técnica para distribuir uniformemente los elementos conductores en toda la matriz polimérica. El filtrado, la impregnación o el ultrasonido se pueden utilizar para cargar elementos conductores en un esqueleto de polímero 3D estirable.

En este estudio, los investigadores crearon un sensor multifuncional altamente flexible utilizando un marco permeable de poliuretano termoplástico (TPU) con nanotubos de carbono (CNT). El sensor multimodo recientemente desarrollado tiene una excelente repetibilidad y precisión en las mediciones de tensión, presión y temperatura.

Fabricación y caracterización de composites basados ​​en TPU y CNT

Los investigadores utilizaron la separación inducida por vapor (VIPS) y métodos de anclaje asistidos por ultrasonidos para fabricar nuevos compuestos porosos basados ​​en TPU y nanotubos de carbono.

VIPS primero preparó el marco de TPU permeable. La humedad del ambiente se recolectó en la superficie de la mezcla de TPU, lo que provocó la separación de fases y la formación de una microestructura porosa en el esqueleto de TPU. Luego, el esqueleto de TPU permeable se ancló a los nanotubos de carbono mediante inmersión asistida por ultrasonido en una solución de nanotubos de carbono/agua.

Se utilizó microscopía electrónica de barrido para caracterizar las topologías superficiales de [email protected] Materiales con una estructura porosa multicapa. Las propiedades eléctricas y mecánicas se determinaron utilizando un multímetro de precisión de dígitos junto con un probador de tracción universal. Se utilizó una placa caliente conectada a un multímetro de precisión para evaluar las capacidades de detección térmica de [email protected] Materiales.

Principales resultados de la investigación

El novedoso sensor multimodo basado en CPC tiene un umbral de deformación excepcionalmente bajo de 0,01 % y un rango de detección de deformación extremadamente amplio de 0,01-900 %, superior a la mayoría de los sensores de deformación basados ​​en CPC descritos anteriormente. Con una carga lo suficientemente grande, el detector puede capturar pequeñas señales fisiológicas y patrones de movimiento.

El sensor también muestra una señal eléctrica reproducible y constante para la estimulación de presión debido a la evolución bidireccional de la red CNT y la capacidad de estiramiento del andamio de TPU transmisivo 3D. Como resultado, el sensor producido de esta manera es capaz de detectar los impulsos táctiles asociados con el estiramiento y la compresión. Además, debido al efecto NTC lineal, el sensor tiene una excelente capacidad de detección de temperatura.

Importancia para futuras aplicaciones

El presente trabajo utilizó VIPS y métodos de anclaje asistidos por ultrasonidos para fabricar un material poroso altamente dúctil. [email protected] Compuesto para uso como sensor multifuncional. El novedoso sensor multimodal se muestra prometedor en los campos de la electrónica, la tecnología portátil y la interacción hombre-computadora debido a su extrema flexibilidad y excepcionales funcionalidades multimodales. Además, se puede utilizar para desarrollar sistemas avanzados para el bienestar humano y la detección de movimiento.

Referencia​​​​​​​

Zhu, G. et al. (2022). Compuestos de nanotubos de carbono/poliuretano termoplástico poroso altamente dúctil como sensor multimodo. carbón. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622322003116?via%3Dihub
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