3D-печатные сенсоры из углеродных нанотрубок для мониторинга здоровья

Полимерные проводящие нанокомпозиты с углеродными нанотрубками (CNT) перспективны для гибкой электроники и носимых устройств. Однако CNT склонны к агломерации, что затрудняет их равномерное распределение, а традиционные методы ограничивают контроль над формой и дисперсией.

Для решения этих проблем исследователи обратились к аддитивному производству, в частности, к стереолитографии (vat photopolymerization, VPP). Этот метод 3D-печати обеспечивает высокую точность и свободу дизайна, но наличие CNT в чернилах влияет на их печатаемость и свойства отверждения. Одновременное достижение высокой растяжимости и электропроводности оставалось сложной задачей.

Команда под руководством профессоров Кын Парка и Сунджэ Пё из Сеульского национального университета науки и технологий успешно создала высокорастяжимые и электропроводные CNT-нанокомпозиты с помощью 3D-печати VPP.

"Наши новые нанокомпозиты оптимизированы для процессов на основе VPP и позволяют изготавливать сложные 3D-структуры", — объясняет профессор Парк. — "Мы также использовали эти материалы для аддитивного производства новых пьезорезистивных сенсоров и интегрировали их в носимый мониторинговый девайс".

Исследование опубликовано в журнале Composite Structures.

Метод и результаты

Команда приготовила полимерные чернила, равномерно диспергировав многостенные углеродные нанотрубки (MWCNTs) в алифатической уретандиакрилатной (AUD) смоле. Концентрация CNT варьировалась от 0.1 до 0.9 вес.%. Для диспергирования использовали ультразвук.

После печати тестовых образцов и анализа их свойств выяснилось, что состав с 0.9 вес.% CNT демонстрирует наилучший баланс:

• Растяжимость: до 223% от исходной длины.
• Электропроводность: 1.64 ×10⁻³ S/m (превышает показатели ранее известных материалов).
• Разрешение печати: 0.6 мм.

Практическое применение

Используя оптимизированный нанокомпозит, исследователи напечатали гибкие пьезорезистивные сенсоры на основе трижды периодических минимальных поверхностей (TPMS). Эти сенсоры показали высокую чувствительность и надежность.

Затем сенсоры были интегрированы в стельку, создав "умную" платформу. С её помощью команда смогла в реальном времени отслеживать распределение давления на стопе, детектируя различные движения и позы человека.

"Разработанное устройство демонстрирует потенциал наших CNT-нанокомпозитов для 3D-печати нового поколения высокорастяжимых и проводящих материалов, — сказал профессор Пё. — Мы уверены, что эти материалы будут незаменимы для носимых мониторов здоровья, гибкой электроники и умных тканей".