Um design inspirado na aranha abre caminho para melhores fotodetectores

Os inovadores da Universidade de Purdue estão seguindo as dicas da aranha para desenvolver melhores fotodetectores 3D para imagens biomédicas.

Inspirada nos padrões de arquitetura repetidos de uma teia de aranha, a equipe demonstrou uma matriz de fotodetectores resiliente em forma de cúpula que detecta a direção e a intensidade da luz incidente ao mesmo tempo, como o sistema de visão composta de artrópodes, como insetos e crustáceos. .

"Empregamos o design fractal único de uma teia de aranha para o desenvolvimento de eletrônicos deformáveis ​​e confiáveis ​​que podem interagir perfeitamente com qualquer superfície curvilínea 3D", disse Chi Hwan Lee, professor assistente de Purdue de engenharia biomédica e engenharia mecânica.

Essas arquiteturas optoeletrônicas 3D são especialmente valiosas para sistemas de fotodetecção que exigem campos de visão maiores, ângulos de visão mais amplos e maior sensibilidade ao movimento.

O trabalho é publicado na revista online Advanced Materials .

Por que uma teia de aranha?

As teias de aranha são bem conhecidas por fornecerem excelente adaptabilidade mecânica e tolerância a danos contra várias cargas mecânicas, mesmo em uma tempestade.

A propriedade estrutural única do design fractal de Lee e sua equipe protege o dispositivo, tolerando efetivamente várias cargas externas.

Inspirado na arquitetura natural, o arranjo óptico de Lee e sua equipe distribui o estresse induzido externamente ao longo dos fios, de acordo com a proporção efetiva das dimensões espiral e radial.

A matriz de fotodetectores hemisféricos contém um material sensibilizado por corante orgânico:um compósito híbrido de grafeno. O dispositivo é fabricado primeiro em uma pastilha de silício planar em microescala e depois transferido para cúpulas hemisféricas transparentes com diferentes curvaturas de maneira determinística.

A "teia" proporciona maior extensibilidade para melhor dissipar a força sob o alongamento. Além disso, o design tolera pequenos cortes das roscas, mantendo a força geral e a função de toda a arquitetura da web.

Em breves perguntas e respostas editadas com Resumos técnicos abaixo, o Prof. Lee explica como a estrutura da aranha pode levar a um novo tipo de eletrônica deformável.

Resumos técnicos :Por que é valioso para uma arquitetura optoeletrônica ter um design semelhante à web?

Prof. Chi Hwan Lee: Materiais e dispositivos optoeletrônicos implantados em superfícies curvilíneas oferecem níveis de funcionalidade qualitativamente expandidos, permitindo um grande campo de visão sem aberração, que se assemelha ao sistema de visão composta dos artrópodes. Essas arquiteturas optoeletrônicas 3D são particularmente atraentes para sistemas de fotodetecção que exigem um grande campo de visão e antirreflexo de grande angular. Para projetar um sistema composto de imitação de olhos, os procedimentos mais promissores envolvem a impressão direta de pixels fotossensíveis em superfícies curvas ou hemisféricas de maneira cuidadosamente alinhada.

Resumos técnicos :Qual é a aplicação ou possibilidade mais interessante com esse tipo de design?

Prof. Lee: Esses esforços abrem caminho para a realização de várias formas 3D de fotodetectores, mas o progresso nessa área é impedido pela complexidade de montar dispositivos e componentes optoeletrônicos em superfícies não planares em microescala e combinar a forma do conjunto de fotodetectores com a curvatura hemisférica fixa.

Para enfrentar o desafio, empregamos a arquitetura estrutural, ou projeto fractal, de uma teia de aranha encontrada na natureza que é capaz de resistir com eficiência a diversas cargas mecânicas dos ambientes. O desenho da teia fractal que exibe um padrão de repetição em todas as escalas fornece recursos exclusivos para (1) distribuir a tensão induzida externamente ao longo das roscas de acordo com a proporção efetiva das dimensões espiral e radial; (2) proporcionar maior extensibilidade para melhor dissipar a força sob estiramento; e (3) tolerar pequenos cortes dos fios enquanto mantém a força geral e a função de toda a arquitetura da web.

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Resumos técnicos :quão bem sua matriz funciona?

Prof. Lee: Nosso fotodetector 3D fornece não apenas a funcionalidade optoeletrônica avançada na detecção de direção e intensidade da luz incidente, mas também fotorresponsividade superior, em comparação com outras contrapartes semelhantes, através do uso de um novo composto híbrido de grafeno sensibilizado por corante orgânico como um componente fotoativo flexível e eficaz .

As arquiteturas optoeletrônicas 3D resultantes são particularmente atraentes para sistemas de fotodetecção que requerem um grande campo de visão e antirreflexo de grande angular, o que será útil para muitos propósitos de imagem biomédica e militar.

Resumos técnicos :O que vem a seguir com sua pesquisa?

Prof. Lee: Nosso trabalho estabelece uma tecnologia de plataforma que pode integrar um projeto de web fractal com eletrônicos e sensores hemisféricos em nível de sistema, oferecendo assim excelente adaptabilidade mecânica e tolerância a danos contra várias cargas mecânicas (como as teias de aranha). A técnica de montagem apresentada neste trabalho permite a implantação de eletrônica 2D deformável em arquiteturas 3D, o que pode prenunciar novas oportunidades para avançar melhor no campo de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos 3D. A patente dos EUA está sendo registrada através do OTC, e estamos buscando parceiros e também procurando licenciar a tecnologia.

Este trabalho é apoiado pela National Science Foundation (NSF; CMMI-1928784) e pelo Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL; S-114-054-002), em colaboração com o Laboratório do Prof. Muhammad Ashraf Alam em ECE em Purdue . O trabalho está publicado em Advanced Materials .

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