جلد إلكتروني

جلد إلكتروني قابل للشفاء

من جهة ثانية، تُعدّ قدرات الجلد الإلكتروني على التئام ذاتي بالغة الأهمية لتطبيقاته المحتملة في مجالات مثل الروبوتات المرنة. يتطلب التصميم الأمثل للجلد الإلكتروني ذاتي التئام ليس فقط إصلاح الركيزة الأساسية، بل كذلك استعادة وظائف الاستشعار، مثل الاستشعار اللمسي أو التوصيل الكهربائي. من الناحية المثالية، لا تعتمد عملية التئام الجلد الإلكتروني ذاتيًا على أي مؤثرات خارجية كزيادة درجة الحرارة أو الضغط أو الذوبان. غالبًا ما يُحقق الجلد الإلكتروني ذاتي التئام، أو القابل لإعادة التئام، باستخدام مادة بوليمرية أو مادة هجينة.

الخصائص الميكانيكية للجلد

كذلك، يتكون الجلد من ألياف الكولاجين والكيراتين والإيلاستين، مما يمنحه قوة ميكانيكية عالية، ومعامل مرونة منخفض، ومقاومة للتمزق، ونعومة. يمكن اعتبار الجلد طبقتين: البشرة والأدمة. تتميز طبقة البشرة بمعامل مرونة يتراوح بين 140 و600 كيلو باسكال، وسماكة تتراوح بين 0.05 و1.5 ملم. أما الأدمة، فتتميز بمعامل مرونة يتراوح بين 2 و80 كيلو باسكال، وسماكة تتراوح بين 0.3 و3 ملم. يُظهر هذا الجلد ثنائي الطبقات استجابة خطية مرنة عند إجهادات أقل من 15%، واستجابة غير خطية عند إجهادات أكبر. ولتحقيق التوافق، يُفضل أن تتوافق الخصائص الميكانيكية للأجهزة مع خصائص طبقة البشرة عند تصميم الإلكترونيات المرنة القائمة على الجلد.

تطبيقات استشعار أخرى

• انظر كذلك
• الخلية الاصطناعية
• جلد صناعي
• عضلة اصطناعية
• الأنف الإلكتروني
• الروبوتات اللينة

من جهة ثانية، دُمجت مستشعرات الرطوبة في تصميم الجلد الإلكتروني باستخدام أغشية التنجستن المكبرتة. تتغير موصلية الغشاء باختلاف مستويات الرطوبة. كما دُرست شرائط السيليكون النانوية لتطبيقاتها كمستشعرات لدرجة الحرارة والضغط والرطوبة. وقد أحرز علماء في جامعة غلاسكو تقدمًا ملحوظًا في تطوير جلد إلكتروني يشعر بالألم في الوقت الفعلي، مع تطبيقات في الأطراف الاصطناعية والروبوتات الشبيهة بالبشر.

وعلى صعيد آخر، يمكن لنظام يتكون من جلد إلكتروني وواجهة بين الإنسان والآلة أن يتيح الإدراك اللمسي عن بعد والاستشعار القابل للارتداء أو الروبوتي للعديد من المواد الخطرة ومسببات الأمراض.

ضبط الخصائص الميكانيكية

من جانب آخر، تُصنع الأجهزة الإلكترونية التقليدية عالية الأداء من مواد غير عضوية كالسيليكون، وهي مادة صلبة وهشة بطبيعتها، وتُظهر توافقًا حيويًا ضعيفًا نظرًا لعدم التوافق الميكانيكي بين الجلد والجهاز، مما يُصعّب تطبيقات الإلكترونيات المدمجة بالجلد. وللتغلب على هذا التحدي، استعمل الباحثون طريقة بناء إلكترونيات مرنة على شكل طبقات رقيقة للغاية. ترتبط مقاومة انحناء الجسم المادي (صلابة الانحناء) بمربع سُمكه، بحسب معادلة أويلر-بيرنولي للشعاع. وهذا يعني أن الأجسام الأقل سُمكًا تنحني وتتمدد بسهولة أكبر. ونتيجة لذلك، على الرغم من أن المادة تتمتع بمعامل يونغ مرتفع نسبيًا، فإن الأجهزة المصنعة على ركائز رقيقة للغاية تُظهر انخفاضًا في صلابة الانحناء، وتسمح بالانحناء إلى نصف قطر انحناء صغير دون أن تنكسر. وقد طُوّرت الأجهزة الرقيقة نتيجةً للتقدم الكبير في مجال تكنولوجيا النانو والتصنيع. استُخدم النهج المذكور أعلاه لإنشاء أجهزة تتكون من أغشية نانوية من السيليكون بسمك 100-200 نانومتر، مُرسبة على ركائز بوليمرية رقيقة ومرنة.

وفي السياق ذاته، علاوة على ذلك، يمكن استخدام اعتبارات التصميم الهيكلي لضبط الاستقرار الميكانيكي للأجهزة. يسمح لنا تصميم بنية السطح الأصلية بتليين الإلكترونيات الصلبة. وقد ُظفتتقنيات الانبعاج، والوصلات المنفصلة ومفهوم الكيريغامي بنجاح لجعل النظام بأكمله مرنًا.

من جانب آخر، يمكن استخدام الانبعاج الميكانيكي لإنشاء هياكل متموجة على ركائز مطاطية رقيقة. تُحسّن هذه الخاصية من قابلية الجهاز للتمدد. استُخدمت تقنية الانبعاج لإنشاء شرائط نانوية من السيليكون من بلورة سيليكون أحادية على ركيزة مطاطية. أظهرت الدراسة أن الجهاز قادر على تحمل إجهاد أقصى قدره 10% عند الضغط والتمدد.

ومن ناحية أخرى، تعتمد تقنية كيريغامي على مفهوم طي وقطع الأغشية ثنائية الأبعاد. يُسهم ذلك في زيادة قوة شد الركيزة، إلى جانب قدرتها على التشوه خارج المستوى والتمدد. ويمكن تحويل هذه الهياكل ثنائية الأبعاد لاحقًا إلى هياكل ثلاثية الأبعاد ذات تضاريس وشكل وحجم قابل للتحكم عبر عملية الانبعاج، مما ينتج عنه خصائص وتطبيقات مثيرة للاهتمام.

من جانب آخر، في حالة التوصيلات البينية الجزيرية، تتصل المادة الصلبة بجسور مرنة ذات أشكال هندسية مختلفة، مثل الأشكال المتعرجة والمتعرجة، لتقليل الصلابة الفعالة، وضبط قابلية تمدد النظام، والتشوه المرن تحت تأثير الإجهادات المطبقة في اتجاهات محددة. وقد ثبت أن الأشكال المتعرجة ليس لها تأثير يُذكر على الخصائص الكهربائية للإلكترونيات الجلدية. كما تبين أن تشابك التوصيلات البينية، الذي يعيق حركة الجهاز فوق الركيزة، يتسبب في تمدد وتشوه التوصيلات الحلزونية بشكل أكبر بكثير من الأشكال المتعرجة. وقد أظهرت عاكسات CMOS المصنعة على ركيزة PDMS باستخدام تقنيات التوصيلات البينية الجزيرية ثلاثية الأبعاد إجهادًا بنسبة 140% عند التمدد.

جلد إلكتروني موصل

وفي هذا الصدد، قام تي وآخرون (الشكل 2) بدراسة المركب الموصل ذاتي الإصلاح الذي تم تصنيعه، وذلك من خلال دمج جزيئات النيكل ذات البنية المجهرية في مادة بوليمرية. تلتصق جزيئات النيكل بالشبكة من خلال تفاعلات مواتية بين طبقة الأكسيد الطبيعية على سطح الجزيئات والبوليمر المرتبط بروابط هيدروجينية.

وفي هذا السياق، يُعدّ تطوير الجلد الإلكتروني الموصل ذا أهمية بالغة للعديد من التطبيقات الكهربائية. وقد اتخذ البحث في هذا المجال مسارين رئيسيين: استخدام بوليمرات موصلة ذاتية الإصلاح، أو دمج مواد غير عضوية موصلة في شبكات بوليمرية غير موصلة.

ومن جهة أخرى، تمت دراسة الجسيمات النانوية كذلك لقدرتها على إضفاء خاصية التوصيل الكهربائي على مواد الجلد الإلكتروني. قام زو وزملاؤه بتضمين جسيمات نانوية من الفضة (AgNPs) في مصفوفة بوليمرية، مما جعل الجلد الإلكتروني موصلًا للكهرباء. وتُعد عملية ترميم هذه المادة جديرة بالملاحظة لأنها لا تُعيد فقط الخصائص الميكانيكية لشبكة البوليمر، بل تُعيد كذلك خصائص التوصيل الكهربائي عند تضمين جسيمات الفضة النانوية في شبكة البوليمر.

أجهزة استشعار اللمس

في هذا الإطار، تتضمن النماذج الأولية للجلود الإلكترونية جلدًا إلكترونيًا مطبوعًا قائمًا على ترانزستورات متشابكة ، يمنح يدًا آلية إحساسًا باللمس وحساسية للألم، وجلدًا آليًا متعدد الطبقات قائمًا على الهيدروجيل قابل للإصلاح، مزودًا بمستشعرات لمسية.

وفي هذا السياق، يُعدّ التمثيل المرئي للضغط المُطبّق أحد المجالات التي حظيت باهتمام كبير في تطوير أجهزة الاستشعار اللمسية. وقد صمّم فريق باو في جامعة ستانفورد جلدًا إلكترونيًا نشطًا كهروكروميًا يتغير لونه باختلاف مقدار الضغط المُطبّق. كما يُمكن تصوير الضغط المُطبّق من خلال دمج شاشات ثنائية باعثة للضوء عضوية ذات مصفوفة نشطة ، والتي تُصدر ضوءًا عند تطبيق الضغط.

ومن جهة أخرى، أظهرت مصفوفات استشعار ثاني كبريتيد الموليبدينوم فائقة الرقة والمدمجة مع الجرافين خصائص ميكانيكية واعدة تمكنها من استشعار الضغط. كما أظهرت تعديلات الترانزستورات العضوية ذات التأثير الحقلي (OFETs) إمكانات واعدة في تطبيقات الجلد الإلكتروني. ويمكن للأغشية الرقيقة من متعدد ثنائي ميثيل سيلوكسان ذات البنية الميكروية أن تتشوه مرنًا عند تطبيق الضغط. ويسمح تشوه الغشاء الرقيق بتخزين الطاقة وإطلاقها.

وعلى صعيد آخر، يمكن قياس الضغط المُطبَّق من خلال رصد التغيرات في المقاومة أو السعة. وقد أظهرت الأقطاب الكهربائية المتداخلة المستوية المدمجة في طبقة واحدة من الجرافين حساسيةً للضغط تصل إلى 0.11 كيلو باسكال من خلال قياس التغيرات في السعة. كما أظهرت المستشعرات الكهروإجهادية مستويات عالية من الحساسية.

قدرة الجلد الإلكتروني على الاستشعار

علاوةً على ذلك، تشمل بعض التحديات التي تواجه قدرات الاستشعار الإلكتروني للجلد هشاشة أجهزة الاستشعار، ووقت استعادة أجهزة الاستشعار، وقابلية التكرار، والتغلب على الإجهاد الميكانيكي، والاستقرار على المدى الطويل.

المواد القائمة على البوليمر

وعلى صعيد آخر، في سنة 2018، نشر زو وزملاؤه بحثًا حول الجلد الإلكتروني القادر على إعادة تكوين الروابط التساهمية عند تلفه. درس الفريق شبكة متشابكة قائمة على البوليمين، جرىكتصنيعها ما هو موضح في الشكل (1)يُعتبر الجلد الإلكتروني قابلًا للإصلاح الذاتي نظرًا لـ بادل الروابط العكسي" أي أن الروابط التي تربط الشبكة قادرة على الانكسار وإعادة التكوين في ظل ظروف معينة مثل الذوبان والتسخين يُعد جانب قابلية الإصلاح الذاتي وإعادة الاستخدام لهذه المادة المتصلبة حراريًا فريدًا من نوعه، لأن الكثير من المواد المتصلبة حراريًا تُشكل شبكات متشابكة بشكل غير عكسي من خلال الروابط التساهمية. في شبكة البوليمر، لا يمكن تمييز الروابط المتكونة أثناء عملية الإصلاح الذاتي عن شبكة البوليمر الأصلية

إضافةً إلى ذلك، أظهرت الدراسات أن التشابك الديناميكي غير التساهمي يُشكّل شبكة بوليمرية قابلة للإصلاح الذاتي. في سنة 2016، ركّز أوه وزملاؤه على البوليمرات شبه الموصلة المستعملة في الترانزستورات العضوية. ووجدوا أن دمج ثنائي كربوكساميد 2،6-بيريدين (PDCA) في السلسلة الرئيسية للبوليمر يُكسبه قدرة على الإصلاح الذاتي بفضل شبكة الروابط الهيدروجينية المتكونة بين المجموعات. مع دمج PDCA في السلسلة الرئيسية للبوليمر، تمكّنت المادة من تحمّل إجهاد يصل إلى 100% دون ظهور أي علامات تشقق على المستوى الميكروسكوبي. في هذا المثال، تُصبح الروابط الهيدروجينية متاحة لتبديد الطاقة مع ازدياد الإجهاد.

غلاف إلكتروني قابل لإعادة التدوير

ومن جهة أخرى، يقدم زو وزملاؤه تطورًا مثيرًا للاهتمام في مجال الجلد الإلكتروني، والذي يمكن استخدامه في الروبوتات والأطراف الاصطناعية والكثير من التطبيقات الأخرى، وذلك على شكل مادة جلد إلكتروني قابلة لإعادة التدوير بالكامل. يتكون الجلد الإلكتروني الذي طوره الفريق من شبكة من البوليمرات المرتبطة تساهميًا، وهي بوليمرات متصلبة حراريًا، أي أنها تتصلب عند درجة حرارة محددة. ومع ذلك، فإن هذه المادة قابلة لإعادة التدوير وإعادة الاستخدام. ولأن شبكة البوليمر متصلبة حراريًا، فهي مستقرة كيميائيًا وحراريًا. ومع ذلك، في درجة حرارة الغرفة، يمكن إذابة مادة البولي إيمين، سواءً مع جزيئات الفضة النانوية أو بدونها، في غضون ساعات قليلة. تتيح عملية إعادة التدوير إذابة الأجهزة التي تضررت لدرجة لا تسمح لها بالإصلاح الذاتي، وإعادة تشكيلها إلى أجهزة جديدة (الشكل 3). يفتح هذا التطور المجال أمام إنتاج أقل تكلفة ونهج أكثر استدامة لتطوير الجلد الإلكتروني .

جلد إلكتروني مرن وقابل للتمدد

من جهة ثانية، تُعدّ قدرة الجلد الإلكتروني على تحمّل التشوه الميكانيكي، بما في ذلك التمدد والانثناء، دون فقدان وظائفه، أمرًا بالغ الأهمية لتطبيقاته في مجالات الأطراف الاصطناعية والذكاء الاصطناعي، والروبوتات المرنة، ومراقبة الصحة، والتوافق الحيوي، وأجهزة الاتصال. غالبًا ما تُصمّم الإلكترونيات المرنة عن طريق ترسيب المواد الإلكترونية على ركائز بوليمرية مرنة، معتمدةً بذلك على ركيزة عضوية لإضفاء خصائص ميكانيكية ملائمة. وقد جرى تناول مواد الجلد الإلكتروني القابلة للتمدد من اتجاهين. إذ يمكن للمواد الهجينة الاعتماد على شبكة عضوية لتحقيق المرونة مع تضمين جزيئات أو مستشعرات غير عضوية، وهي غير قابلة للتمدد بطبيعتها. بينما ركّزت أبحاث أخرى على تطوير مواد قابلة للتمدد تتمتّع كذلك بقدرات إلكترونية أو استشعارية ملائمة.

ومن جهة أخرى، درس زو وآخرون إضافة روابط تُوصف بأنها «متعرجة» إلى مصفوفة البولي إيمين الخاصة بهم. تُمكّن هذه الروابط مستشعرات الجلد الإلكتروني من الانثناء مع الحركة والتشوه. كما ثبت أن دمج فواصل الألكيل في المواد القائمة على البوليمر يزيد من المرونة دون تقليل حركة نقل الشحنة. طور أوه وآخرون مادة قابلة للتمدد ومرنة تعتمد على 3،6-ثنائي(ثيوفين-2-يل)-2،5-ثنائي هيدروبيرولو[3،4- ج ]بيرول-1،4-ديون (DPP) و2،6-بيريدين ثنائي الكربوكساميد غير المترافق (PDCA) كمصدر للروابط الهيدروجينية (الشكل 4).

وعلى صعيد آخر، كما ثبت أن الجرافين مادة مناسبة لتطبيقات الجلد الإلكتروني نظرًا لصلابته وقوة شدّه. ويُعدّ الجرافين مادة جذابة لأن تصنيعه على ركائز مرنة قابل للتطوير وفعّال من حيث التكلفة.

المواد الهجينة

ومن ناحية أخرى، تُسهّل الشبكات البوليمرية عمليات الترميم الديناميكية عبر الروابط الهيدروجينية أو التفاعلات الكيميائية التساهمية الديناميكية. ومع ذلك، يُمكن لدمج الجسيمات غير العضوية أن يُوسّع إلى حدّ كبير من وظائف المواد البوليمرية المُستعملة في تطبيقات الجلد الإلكتروني. وقد أظهرت الدراسات أن دمج جسيمات النيكل ذات البنية المجهرية في شبكة بوليمرية (الشكل 2) يُحافظ على خصائص الترميم الذاتي استنادًا إلى إعادة تشكيل شبكات الروابط الهيدروجينية حول الجسيمات غير العضوية. تستعيد المادة موصليتها الكهربائية في غضون 15 ثانية من الكسر، وتستعيد خصائصها الميكانيكية بعد 10 دقائق في درجة حرارة الغرفة دون أي مُحفز إضافي. تعتمد هذه المادة على الروابط الهيدروجينية المُتشكلة بين مجموعات اليوريا عند اصطفافها. وتتواجد ذرات الهيدروجين في مجموعات اليوريا الوظيفية في موقع مثالي لتكوين شبكة روابط هيدروجينية نظرًا لقربها من مجموعة الكربونيل الساحبة للإلكترونات. تُظهر هذه الشبكة البوليمرية التي تحتوي على جزيئات النيكل المدمجة إمكانية استخدام البوليمرات كحوامل فوق جزيئية لتطوير مركبات موصلة ذاتية الإصلاح.

ومن ناحية أخرى، أظهرت الدراسات أن رغوات الجرافين المرنة والمسامية، المترابطة ثلاثية الأبعاد، تتمتع بخاصية التئام ذاتي. كما أظهرت الأغشية الرقيقة المكونة من بولي (N،N-ثنائي ميثيل أكريلاميد)-بولي (فينيل الكحول) (PDMAA) وأكسيد الجرافين المختزل، موصلية كهربائية عالية وخاصية التئام ذاتي. ويُعتقد أن قدرة هذا المركب الهجين على التئام نفسه تعود إلى الروابط الهيدروجينية بين سلاسل PDMAA، حيث تُعيد عملية التئامه الطول الأصلي وتستعيد خصائصه الموصلة.