Diseño Inspirado en Araña Mejora Rendimiento de Fotodetectores 3D para Imagen Biomédica

Innovadores de la Universidad Purdue toman pistas de la araña para desarrollar mejores fotodetectores 3D para imagen biomédica.

Inspirados por los patrones de arquitectura repetitivos de una telaraña, el equipo demostró un array de fotodetectores en forma de cúpula resistente que detecta tanto la dirección como la intensidad de la luz incidente al mismo tiempo, como el sistema de visión de ojos compuestos de artrópodos como insectos y crustáceos.

"Empleamos el diseño fractal único de una telaraña para el desarrollo de electrónica deformable y confiable que puede interconectarse sin problemas con cualquier superficie curvilínea 3D", dijo Chi Hwan Lee, profesor asistente de ingeniería biomédica e ingeniería mecánica en Purdue.

Tales arquitecturas optoelectrónicas 3D son especialmente valiosas para sistemas de fotodetección que requieren campos de visión más grandes, ángulos de visión más amplios y mayor sensibilidad al movimiento.

El trabajo se publica en la revista en línea Advanced Materials .

¿Por qué una Telaraña?

Las telarañas son bien conocidas por proporcionar excelente adaptabilidad mecánica y tolerancia a daños contra diversas cargas mecánicas, incluso en una tormenta.

La propiedad estructural única del diseño fractal de telaraña de Lee y su equipo protege el dispositivo tolerando efectivamente diversas cargas externas.

Inspirados por la arquitectura natural, el arreglo óptico de Lee y su equipo distribuye el estrés inducido externamente a lo largo de los hilos, según la proporción efectiva de dimensiones espirales y radiales.

El array de fotodetectores hemisférico contiene un material sensibilizado por colorante orgánico: un compuesto híbrido de grafeno. El dispositivo se fabrica primero en una oblea de silicio planar a microescala y luego se transfiere a cúpulas hemisféricas transparentes con diferentes curvaturas de manera determinista.

La "telaraña" proporciona mayor extensibilidad para disipar mejor la fuerza bajo estiramiento. Adicionalmente, el diseño tolera cortes menores de los hilos manteniendo la fuerza y función general de toda la arquitectura de la telaraña.

En una breve sesión de P&R editada con Tech Briefs a continuación, el Prof. Lee explica cómo la estructura de araña puede llevar a un nuevo tipo de electrónica deformable.

Tech Briefs: ¿Por qué es valioso que una arquitectura optoelectrónica tenga un diseño tipo telaraña?

Prof. Chi Hwan Lee: Materiales y dispositivos optoelectrónicos desplegados sobre superficies curvilíneas ofrecen niveles de funcionalidad cualitativamente expandidos permitiendo un gran campo de visión sin aberración, que se asemeja al sistema de visión de ojos compuestos de artrópodos. Estas arquitecturas optoelectrónicas 3D son particularmente atractivas para sistemas de fotodetección que requieren gran campo de visión y antirreflección de gran ángulo. Para ingeniar un sistema que imite el ojo compuesto, los procedimientos más prometedores implican impresión directa de píxeles fotosensibles en superficies curvas o hemisféricas de manera cuidadosamente alineada.

Tech Briefs: ¿Cuál es la aplicación o posibilidad más emocionante con este tipo de diseño?

Prof. Lee: Estos esfuerzos allanan el camino para realizar varias formas 3D de fotodetectores, pero el progreso en esta área se ve impedido por la complejidad de ensamblar dispositivos y componentes optoelectrónicos en superficies no planas a microescala y hacer coincidir la forma del array de fotodetectores con la curvatura hemisférica fija.

Para abordar el desafío, empleamos la arquitectura estructural, o diseño fractal, de una telaraña encontrada en la naturaleza que es capaz de resistir eficientemente diversas cargas mecánicas de entornos. El diseño fractal de telaraña que exhibe un patrón repetitivo en todas las escalas proporciona capacidades únicas para (1) distribuir el estrés inducido externamente a lo largo de los hilos según la proporción efectiva de dimensiones espirales y radiales; (2) proporcionar mayor extensibilidad para disipar mejor la fuerza bajo estiramiento; y (3) tolerar cortes menores de los hilos manteniendo la fuerza y función general de toda la arquitectura de la telaraña.

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Tech Briefs: ¿Qué tan bien funciona su array?

Prof. Lee: Nuestro fotodetectores 3D proporciona no solo la funcionalidad optoelectrónica avanzada en detectar tanto dirección como intensidad de luz incidente, sino también fotorresponsividad superior, comparada con otros homólogos similares, mediante el uso de un novedoso compuesto híbrido de grafeno sensibilizado por colorante orgánico como componente fotoactivo flexible y efectivo.

Las resultantes arquitecturas optoelectrónicas 3D son particularmente atractivas para sistemas de fotodetección que requieren gran campo de visión y antirreflección de gran ángulo, lo que será útil para muchos propósitos de imagen biomédica y militar.

Tech Briefs: ¿Qué sigue con su investigación?

Prof. Lee: Nuestro trabajo establece una tecnología de plataforma que puede integrar un diseño fractal de telaraña con electrónica y sensores hemisféricos a nivel de sistema, ofreciendo así varias excelente adaptabilidad mecánica y tolerancia a daños contra diversas cargas mecánicas (como las telarañas). La técnica de ensamblaje presentada en este trabajo permite desplegar electrónica 2D deformable en arquitecturas 3D, lo que puede presagiar nuevas oportunidades para avanzar mejor el campo de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos 3D. La patente en EE. UU. se está tramitando a través de OTC, y buscamos socios y también buscamos licenciar la tecnología.

Este trabajo está apoyado por la National Science Foundation (NSF; CMMI-1928784) y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL; S-114-054-002), en colaboración con el Laboratorio del Prof. Muhammad Ashraf Alam en ECE en Purdue. El trabajo se publica en Advanced Materials .

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