Design Inspirado em Aranha Aumenta Desempenho de Fotodetectores 3D para Imagem Biomédica

Design Inspirado em Aranha Aumenta Desempenho de Fotodetectores 3D para Imagem Biomédica

Inovadores da Universidade Purdue estão pegando pistas da aranha para desenvolver melhores fotodetectores 3D para imagem biomédica.

Inspirados pelos padrões de arquitetura repetitivos de uma teia de aranha, a equipe demonstrou um array de fotodetectores em forma de cúpula, resiliente, que detecta tanto a direção quanto a intensidade da luz incidente ao mesmo tempo, como o sistema de visão de olho composto 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 engenharia biomédica e engenharia mecânica da Purdue.

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

O trabalho é publicado no periódico online Advanced Materials .

Por que uma Teia de Aranha?

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

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

Inspirados pela arquitetura natural, Lee e sua equipe organizaram seu arranjo óptico para distribuir tensão induzida externamente através dos fios, de acordo com a proporção efetiva de dimensões espirais e radiais.

O array de fotodetectores hemisférico contém um material sensibilizado por corante orgânico: um composto híbrido de grafeno. O dispositivo é primeiro fabricado em uma pastilha de silício planar na microscala e então transferido para cúpulas hemisféricas transparentes com diferentes curvaturas de maneira determinística.

A "teia" fornece maior extensibilidade para dissipar melhor força sob estiramento. Além disso, o design tolera cortes menores dos fios enquanto mantém a força e função geral de toda a arquitetura da teia.

Em uma breve sessão de P&R editada com a Tech Briefs abaixo, Prof. Lee explica como a estrutura da aranha pode levar a um novo tipo de eletrônica deformável.

Tech Briefs: Por que é valioso para uma arquitetura optoeletrônica ter um design tipo teia?

Prof. Chi Hwan Lee: Materiais e dispositivos optoeletrônicos implantados em superfícies curvilíneas oferecem níveis qualitativamente expandidos de funcionalidade, permitindo grande campo de visão sem aberração, o que se assemelha ao sistema de visão de olho composto de artrópodes. Estas arquiteturas optoeletrônicas 3D são particularmente atraentes para sistemas de fotodetecção que requerem grande campo de visão e antirreflexo de grande ângulo. Para engenhar um sistema imitando olho composto, os procedimentos mais promissores envolvem impressão direta de pixels fotossensíveis em superfícies curvas ou hemisféricas de maneira cuidadosamente alinhada.

Tech Briefs: Qual é a aplicação ou possibilidade mais empolgante com este tipo de design?

Prof. Lee: Esses esforços pavimentam o caminho para realizar várias formas 3D de fotodetectores, mas o progresso nesta área é impedido pela complexidade de montar dispositivos e componentes optoeletrônicos em superfícies não planares na microscala e combinar a forma do array de fotodetectores com a curvatura hemisférica fixa.

Para enfrentar o desafio, empregamos a arquitetura estrutural, ou design fractal, de uma teia de aranha encontrada na natureza, que é capaz de resistir eficientemente a várias cargas mecânicas de ambientes. O design fractal de teia que exibe um padrão repetitivo em todas as escalas fornece capacidades únicas para (1) distribuir tensão induzida externamente através dos fios de acordo com a proporção efetiva de dimensões espirais e radiais; (2) fornecer maior extensibilidade para dissipar melhor força sob estiramento; e (3) tolerar cortes menores dos fios enquanto mantém a força e função geral de toda a arquitetura da teia.

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Tech Briefs: Quão bem seu array funciona?

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

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

Tech Briefs: O que vem a seguir com sua pesquisa?

Prof. Lee: Nosso trabalho estabelece uma tecnologia de plataforma que pode integrar um design fractal de teia com eletrônica e sensores hemisféricos de nível de sistema, oferecendo várias excelente adaptabilidade mecânica e tolerância a danos contra várias cargas mecânicas (como teias de aranha fazem). A técnica de montagem apresentada neste trabalho permite implantar eletrônicos deformáveis 2D em arquiteturas 3D, o que pode prenunciar novas oportunidades para melhor avançar o 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 Air Force Research Laboratory (AFRL; S-114-054-002), em colaboração com o Laboratório do Prof. Muhammad Ashraf Alam em ECE na Purdue. O trabalho é publicado em Advanced Materials .

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