Un défi majeur dans les capteurs portables auto-alimentés pour la surveillance des soins de santé est de distinguer différents signaux lorsqu'ils se produisent en même temps. Des chercheurs de Penn State et de l'Université de technologie chinoise de Hebei ont abordé ce problème en découvrant une nouvelle propriété d'un matériau de capteur, permettant à l'équipe de développer un nouveau type de capteur flexible qui peut mesurer avec précision la température et la déformation physique simultanément mais séparément pour identifier plus précisément précisé divers signaux.
« Ce matériel de capteur unique que nous avons développé a des applications potentiellement importantes dans la surveillance des soins de santé », a déclaré Huanyu « Larry » Cheng, James L. Henderson, Jr. Auteur correspondant de l'étude publiée dans Communications de la nature. « En mesurant avec précision les changements de température et la déformation physique ou la souche créée par une blessure de guérison et mesurer qu'en séparant les deux signaux, il pourrait révolutionner le suivi de la cicatrisation des plaies. Les médecins pourraient obtenir une image beaucoup plus claire du processus de guérison, identifiant des problèmes comme inflammation dès le début. »
Les chercheurs visaient à mesurer avec précision les signaux de température et de déformation sans parler en utilisant du graphène induit par le laser, un matériau bidimensionnel (2D). Comme tous les matériaux 2D, y compris le graphène ordinaire, le graphène induit par le laser est un à quelques atomes d'épaisseur avec des propriétés uniques, mais avec une touche. Le graphène induit par le laser (LIG) se forme lorsqu'un laser chauffe certains matériaux riches en carbone – comme le plastique ou le bois – d'une manière qui convertit leur surface en une structure de graphène. Le laser « écrit essentiellement » le graphène directement sur le matériau, ce qui en fait un moyen simple et évolutif de produire des modèles de graphène pour l'électronique, les capteurs et les dispositifs d'énergie.
LIG a déjà été utilisé dans diverses applications. Auparavant, Cheng et son équipe ont utilisé LIG pour les capteurs de gaz, les détecteurs électrochimiques pour l'analyse de la transpiration, les supercondensateurs, etc. Cependant, les chercheurs ont déclaré qu'ils pensaient avoir découvert une nouvelle propriété de LIG pour la première fois qui le rend idéal pour un capteur polyvalent et précis.
Dans cette étude particulière, nous avons en quelque sorte trébuché sur le fait que ce matériau a également des propriétés thermoélectriques. Nous pensons que c'est la première fois que quiconque signale du graphène induit par le laser ayant des capacités thermoélectriques. Et c'est vraiment important pour ce que nous essayons de faire ici, qui est de mesurer séparément les changements de température et la déformation physique ou la déformation. »
Huanyu « Larry » Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial professeur agrégé de sciences et de mécaniques d'ingénierie (ESM) à Penn State
Les propriétés thermoélectriques dans un matériau se réfèrent à la capacité de convertir les différences de température en tension électrique et vice versa, permettant à ces matériaux d'être utilisés pour des applications telles que la récolte d'énergie et la détection de la température. Selon Cheng, cette propriété thermoélectrique nouvellement identifiée de LIG facilite la séparation des deux mesures de capteur et idéale pour les applications de soins de santé telles qu'un capteur intégré dans un bandage.
« Lorsque vous avez des matériaux sensibles à la température et à la déformation, il peut être difficile de dire quel signal provoque des changements dans le matériau », a déclaré Cheng. « Mais en utilisant cet effet thermoélectrique dans le graphène induit par le laser, nous pouvons essentiellement découpler ces deux mesures. Nous pouvons examiner la résistance électrique pour obtenir des informations sur la déformation, tout en mesurant la tension thermique pour déterminer la température. C'est pourquoi Les médecins pourraient l'utiliser pour suivre les fluctuations de la température et les changements physiques dans le site de la plaie et donner une image beaucoup plus claire de la façon dont la guérison progresse. »
Il a également noté que le capteur est très sensible, détectant la température des changements aussi petits que 0,5 degrés Celsius. La conception du matériau profite de la façon dont les composants poreux du graphène et de la thermoélectrique fonctionnent ensemble, ce qui le rend près de quatre fois mieux pour convertir la chaleur en électricité. Le capteur peut également s'étirer jusqu'à 45%, ainsi que conforme à différentes formes et surfaces, sans perdre de fonction.
« La structure poreuse de ce matériau crée beaucoup de minuscules espaces et canaux qui lui permettent d'interagir avec son environnement de manière très sensible », a déclaré Cheng. « Cela le rend bien adapté à l'interfaçage avec les tissus mous humains, contrairement à des matériaux thermoélectriques plus rigides, comme ceux à base de céramique. »
Étant donné que l'aspect thermoélectrique de LIG signifie également qu'il peut générer une puissance électrique en cas de différence de température, les capteurs LIG sont auto-alimentés. Selon Cheng, cela pourrait être particulièrement utile pour une surveillance continue en milieu clinique et pour d'autres applications, comme aider à détecter les incendies dans des endroits éloignés.
En plus d'affiner le capteur, l'équipe développe un système sans fil qui permettra aux gens de surveiller les données du capteur à distance. Cela permettra de suivre les informations importantes, telles que la température ou la contrainte, en temps réel à l'aide de smartphones ou d'autres appareils.
« Par exemple, un médecin pourrait surveiller l'état d'un patient à distance, ou les intervenants d'urgence pourraient recevoir des alertes sur les changements de température dangereux », a déclaré Cheng. « Ces progrès visent à rendre la technologie plus accessible et efficace, aidant à améliorer la surveillance et la sécurité de la santé dans les situations quotidiennes. »
Avec Cheng, d'autres auteurs de documents incluent Ankan Dutta, étudiant diplômé en sciences de l'ingénierie et mécanique de Penn State; et Li Yang, Xue Chen, Hui Zhang, Zihan Wang, Mingyang Zin, Shuaijie du et Guizhi Xu, tous de l'Université de technologie de Hebei.
Les National Institutes of Health et la US National Science Foundation ont soutenu ce travail.
