Un diseño inspirado en una araña allana el camino para mejores fotodetectores

Los innovadores de la Universidad de Purdue están siguiendo el ejemplo de la araña para desarrollar mejores fotodetectores 3D para imágenes biomédicas.

Inspirándose en los patrones de arquitectura repetitivos de una telaraña, el equipo demostró una matriz de fotodetectores resistentes en forma de cúpula que detecta tanto la dirección como la intensidad de la luz incidente al mismo tiempo, como el sistema de visión de ojo compuesto de artrópodos como insectos y crustáceos. .

"Empleamos el diseño fractal único de una telaraña para el desarrollo de componentes electrónicos deformables y confiables que pueden interactuar perfectamente con cualquier superficie curvilínea 3D", dijo Chi Hwan Lee, profesor asistente de ingeniería biomédica e ingeniería mecánica de Purdue.

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

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

¿Por qué una telaraña?

Las telas de araña son bien conocidas por proporcionar una excelente adaptabilidad mecánica y tolerancia a daños frente a diversas cargas mecánicas, incluso durante una tormenta.

La propiedad estructural única del diseño web fractal de Lee y su equipo protege el dispositivo al tolerar efectivamente varias cargas externas.

Inspirándose en la arquitectura natural, la disposición óptica de Lee y su equipo distribuye la tensión inducida externamente a lo largo de los hilos, de acuerdo con la proporción efectiva de las dimensiones espirales y radiales.

El conjunto de fotodetectores hemisféricos contiene un material sensibilizado con tinte orgánico:un compuesto híbrido de grafeno. El dispositivo se fabrica primero en una oblea plana de silicio a microescala y luego se transfiere a cúpulas hemisféricas transparentes con diferentes curvaturas de manera determinista.

La "red" proporciona una mayor extensibilidad para disipar mejor la fuerza durante el estiramiento. Además, el diseño tolera cortes menores de los subprocesos al tiempo que mantiene la solidez y el funcionamiento generales de toda la arquitectura web.

En una breve sesión de preguntas y respuestas editada con Resúmenes técnicos a continuación, el profesor Lee explica cómo la estructura de araña puede conducir a un nuevo tipo de electrónica deformable.

Resúmenes técnicos :¿Por qué es valioso que una arquitectura optoelectrónica tenga un diseño web?

Profesor. Chi Hwan Lee: Los materiales y dispositivos optoelectrónicos desplegados en superficies curvilíneas ofrecen niveles de funcionalidad cualitativamente ampliados que permiten un gran campo de visión sin aberraciones, que se asemeja al sistema de visión de ojo compuesto de los artrópodos. Estas arquitecturas optoelectrónicas 3D son particularmente atractivas para los sistemas de fotodetección que requieren un gran campo de visión y antirreflexión de gran angular. Para diseñar un sistema compuesto que mime al ojo, los procedimientos más prometedores involucran la impresión directa de píxeles fotosensibles en superficies curvas o hemisféricas de una manera cuidadosamente alineada.

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

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

Para enfrentar el desafío, empleamos la arquitectura estructural, o diseño fractal, de una telaraña que se encuentra en la naturaleza y que es capaz de resistir de manera eficiente varias cargas mecánicas de los entornos. El diseño web fractal que exhibe un patrón repetitivo en todas las escalas brinda capacidades únicas para (1) distribuir el estrés inducido externamente a lo largo de los hilos de acuerdo con la relación efectiva de las dimensiones espirales y radiales; (2) proporcionar una mayor extensibilidad para disipar mejor la fuerza durante el estiramiento; y (3) tolerar cortes menores de los subprocesos mientras se mantiene la solidez y el funcionamiento general de toda la arquitectura web.

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Resúmenes técnicos :¿Qué tan bien funciona su arreglo?

Profesor. Lee: Nuestro fotodetector 3D proporciona no solo la funcionalidad optoelectrónica avanzada para detectar tanto la dirección como la intensidad de la luz incidente, sino también una fotorrespuesta superior, en comparación con otros homólogos similares, mediante el uso de un novedoso compuesto híbrido de grafeno sensibilizado con tinte orgánico como componente fotoactivo flexible y eficaz. .

Las arquitecturas optoelectrónicas 3D resultantes son particularmente atractivas para los sistemas de fotodetección que requieren un gran campo de visión y antirreflexión de gran angular, que serán útiles para muchos propósitos de imágenes biomédicas y militares.

Resúmenes técnicos :¿Qué sigue con su investigación?

Profesor. Lee: Nuestro trabajo establece una tecnología de plataforma que puede integrar un diseño web fractal con sensores y componentes electrónicos hemisféricos a nivel de sistema, lo que ofrece una excelente adaptabilidad mecánica y tolerancia al daño contra diversas cargas mecánicas (como lo hacen las telas de araña). La técnica de ensamblaje presentada en este trabajo permite implementar electrónica deformable 2D en arquitecturas 3D, lo que puede presagiar nuevas oportunidades para avanzar mejor en el campo de los dispositivos electrónicos y optoelectrónicos 3D. La patente de EE. UU. se está presentando a través de OTC, y estamos buscando socios y también buscando licenciar la tecnología.

Este trabajo cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (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 está publicado en Advanced Materials .

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