La pell electrònica, també coneguda com a e-skin, fa referència a l'electrònica flexible, estirable i autoreparable que és capaç d'imitar les funcionalitats de la pell humana o animal. Aquesta àmplia classe de materials sovint conté capacitats sensorials, que estan dissenyades per reproduir les capacitats de la pell humana per respondre a factors ambientals com ara canvis de calor i pressió.
Els avenços en la investigació de la pell electrònica se centren en el disseny de materials que haurien de presentar les següents característiques: alta sensibilitat/resolució, baix gruix, conformabilitat, flexibilitat i elasticitat, durabilitat i robustesa, autocuració, biocompatibilitat, alta resolució espacial, baix consum d'energia i autoalimentació, inducció/anàlisi de la suor i processament de dades en temps real.
La recerca en els camps individuals de l'electrònica flexible i la detecció tàctil ha progressat significativament. Tanmateix, el camp del disseny de pells electròniques pretén integrar els avenços de múltiples àrees de recerca de materials sense sacrificar els beneficis individuals derivats de cada camp. La combinació reeixida de propietats mecàniques flexibles i estirables amb sensors integrats i capacitats d'autocuració permetria nombroses aplicacions, com ara la robòtica suau, les pròtesis, els sistemes d'intel·ligència artificial i els dispositius de monitorització de la salut.
Els avenços recents en el camp de les pells electròniques s'han centrat en la incorporació d'ideals de materials verds i consciència ambiental en el procés de disseny. Com que un dels principals reptes als quals s'enfronta el desenvolupament de pells electròniques és la capacitat del material per suportar la tensió mecànica i mantenir la capacitat de detecció o les propietats electròniques, la reciclabilitat i les propietats d'autocuració són especialment crítiques en el disseny futur de noves pells electròniques.
Pell electrònica recurable Les capacitats d'autocuració de la pell electrònica són crítiques per a les possibles aplicacions de la pell electrònica en camps com la robòtica tova. Un disseny adequat de la pell electrònica autocurativa requereix no només la curació del substrat base, sinó també el restabliment de qualsevol funció de detecció, com ara la detecció tàctil o la conductivitat elèctrica. Idealment, el procés d'autocuració de la pell electrònica no depèn d'estímuls externs, com ara l'augment de la temperatura, la pressió o la solvatació. La pell electrònica autocurativa, o recurable, sovint s'aconsegueix mitjançant un material basat en polímers o un material híbrid.
Materials basats en polímers El 2018, Zou et al. van publicar un treball sobre la pell electrònica que és capaç de reformar enllaços covalents quan es fa malbé. El grup va examinar una xarxa reticulada basada en poliimines, sintetitzada com es veu a la Figura 1. La pell electrònica es considera re-reparable a causa de l'"intercanvi d'enllaços reversible", és a dir, que els enllaços que mantenen unida la xarxa són capaços de trencar-se i reformar-se en determinades condicions com la solvatació i l'escalfament. L'aspecte re-reparable i reutilitzable d'aquest material termoestable és únic perquè molts materials termoestables formen xarxes reticulades irreversiblement a través d'enllaços covalents. A la xarxa polimèrica, els enllaços formats durant el procés de curació són indistingibles de la xarxa polimèrica original. center|miniatura|450x450px|Figura 1. Esquema de polimerització per a la formació d'una pell electrònica autoreparable basada en poliimina També s'ha demostrat que l'entrecreuament dinàmic no covalent forma una xarxa polimèrica que es pot re-curar. El 2016, Oh et al. van estudiar específicament els polímers semiconductors per a transistors orgànics. Van descobrir que la incorporació de 2,6-piridina dicarboxamida (PDCA) a la cadena principal del polímer podia conferir capacitats d'autocuració basades en la xarxa d'enllaços d'hidrogen formats entre els grups. Amb la incorporació de PDCA a la cadena principal del polímer, els materials van poder suportar fins a un 100% de deformació sense mostrar signes d'esquerdament a microescala. En aquest exemple, els enllaços d'hidrogen estan disponibles per a la dissipació d'energia a mesura que augmenta la deformació.
Materials híbrids Les xarxes de polímers són capaces de facilitar processos de curació dinàmics mitjançant enllaços d'hidrogen o química covalent dinàmica. Tanmateix, la incorporació de partícules inorgàniques pot ampliar considerablement la funcionalitat dels materials basats en polímers per a aplicacions electròniques de la pell. S'ha demostrat que la incorporació de partícules de níquel microestructurades a una xarxa de polímers (Figura 2) manté les propietats d'autocuració basades en la reforma de les xarxes d'enllaços d'hidrogen al voltant de les partícules inorgàniques. El material és capaç de recuperar la seva conductivitat en 15 segons després de la ruptura, i les propietats mecàniques es recuperen després de 10 minuts a temperatura ambient sense estímuls addicionals. Aquest material es basa en enllaços d'hidrogen formats entre els grups urea quan s'alineen. Els àtoms d'hidrogen dels grups funcionals d'urea estan idealment situats per formar una xarxa d'enllaços d'hidrogen perquè estan a prop d'un grup carbonil que atrau electrons. Aquesta xarxa de polímers amb partícules de níquel incrustades demostra la possibilitat d'utilitzar polímers com a hostes supramoleculars per desenvolupar compostos conductors d'autocuració. center|miniatura|647x647px|Figura 2. Material autoreparable basat en enllaços d'hidrogen i interaccions amb partícules de níquel microestructurades. També s'ha demostrat que les escumes de grafè flexibles i poroses que estan interconnectades de manera tridimensional tenen propietats d'autocuració. Les pel·lícules primes amb poli(N,N-dimetilacrilamida)-poli(alcohol vinílic) (PDMAA) i òxid de grafè reduït han demostrat una alta conductivitat elèctrica i propietats d'autocuració. Se sospita que les capacitats de curació del compost híbrid es deuen als enllaços d'hidrogen entre les cadenes de PDMAA, i el procés de curació és capaç de restaurar la longitud inicial i recuperar les propietats conductores.
Pell electrònica reciclable Zou et al. presenten un avenç interessant en el camp de la pell electrònica que es pot utilitzar en robòtica, pròtesis i moltes altres aplicacions en forma d'un material de pell electrònica totalment reciclable. La pell electrònica desenvolupada pel grup consisteix en una xarxa de polímers units covalentment que són termoestables, és a dir, curats a una temperatura específica. Tanmateix, el material també és reciclable i reutilitzable. Com que la xarxa de polímers és termoestable, és químicament i tèrmicament estable. No obstant això, a temperatura ambient, el material de poliimina, amb o sense nanopartícules de plata, es pot dissoldre en una escala de temps d'unes poques hores. El procés de reciclatge permet que els dispositius que estan danyats més enllà de les capacitats d'autocuració, es dissolguin i es formin en nous dispositius (Figura 3). Aquest avenç obre la porta a una producció de menor cost i a enfocaments més ecològics per al desenvolupament de la pell electrònica. center|miniatura|500x500px|Figura 3. Procés de reciclatge per a la pell electrònica basada en poliimina conductora.
Pell electrònica flexible i elàstica La capacitat de la pell electrònica per suportar la deformació mecànica, incloent-hi l'estirament i la flexió, sense perdre funcionalitat, és crucial per a les seves aplicacions com a pròtesis, intel·ligència artificial, robòtica suau, monitorització de la salut, biocompatibilitat i dispositius de comunicació. L'electrònica flexible sovint es dissenya dipositant materials electrònics sobre substrats polimèrics flexibles, confiant així en un substrat orgànic per impartir propietats mecàniques favorables. Els materials de pell electrònica estirables s'han abordat des de dues direccions. Els materials híbrids poden confiar en una xarxa orgànica per a l'elasticitat mentre incorporen partícules o sensors inorgànics, que no són inherentment estirables. Altres investigacions s'han centrat en el desenvolupament de materials estirables que també tinguin capacitats electròniques o de detecció favorables.
Zou et al. van estudiar la inclusió d'enllaços que es descriuen com a "serpentina" a la seva matriu de poliimina. Aquests enllaços fan que els sensors de pell electrònica es puguin flexionar amb el moviment i la distorsió. També s'ha demostrat que la incorporació d'espaiadors alquil en materials basats en polímers augmenta la flexibilitat sense disminuir la mobilitat de transferència de càrrega. Oh et al. van desenvolupar un material estirable i flexible basat en 3,6-di(tiofen-2-il)-2,5-dihidropirrolo[3,4- c ]pirrol-1,4-diona (DPP) i 2,6-piridina dicarboxamida (PDCA) no conjugada com a font d'enllaços d'hidrogen (Figura 4). center|miniatura|647x647px|Figura 4. Un material polimèric semiconductor estirable i autoreparable. També s'ha demostrat que el grafè és un material adequat per a aplicacions electròniques en pells a causa de la seva rigidesa i resistència a la tracció. El grafè és un material atractiu perquè la seva síntesi en substrats flexibles és escalable i rendible.
Propietats mecàniques de la pell La pell està composta de fibres de col·lagen, queratina i elastina, que proporcionen una resistència mecànica robusta, un mòdul baix, resistència a les llàgrimes i suavitat. La pell es pot considerar com una bicapa d'epidermis i dermis. La capa epidèrmica té un mòdul d'uns 140-600 kPa i un gruix de 0,05-1,5 mm. La dermis té un mòdul de 2-80 kPa i un gruix de 0,3-3 mm. Aquesta pell bicapa presenta una resposta lineal elàstica per a deformacions inferiors al 15% i una resposta no lineal a deformacions més grans. Per aconseguir la conformabilitat, és preferible que els dispositius coincideixin amb les propietats mecàniques de la capa d'epidermis a l'hora de dissenyar electrònica elàstica basada en la pell.
Ajust de les propietats mecàniques Els dispositius electrònics d'alt rendiment convencionals estan fets de materials inorgànics com el silici, que és rígid i fràgil per naturalesa i presenta una biocompatibilitat deficient a causa de la desajust mecànica entre la pell i el dispositiu, cosa que dificulta les aplicacions d'electrònica integrada a la pell. Per resoldre aquest repte, els investigadors van emprar el mètode de construir electrònica flexible en forma de capes ultrafines. La resistència a la flexió d'un objecte material (rigidesa flexural) està relacionada amb la tercera potència del gruix, segons l'equació d'Euler-Bernoulli per a una biga. Implica que els objectes amb menys gruix es poden doblegar i estirar més fàcilment. Com a resultat, tot i que el material té un mòdul de Young relativament alt, els dispositius fabricats en substrats ultrafins presenten una disminució de la rigidesa a la flexió i permeten doblegar-se a un radi de curvatura petit sense fracturar-se. S'han desenvolupat dispositius prims com a resultat d'avenços significatius en el camp de la nanotecnologia, la fabricació i la fabricació. L'enfocament esmentat anteriorment es va utilitzar per crear dispositius compostos per nanomembranes de Si de 100-200 nm de gruix dipositades sobre substrats polimèrics flexibles i prims.
Pell electrònica conductora El desenvolupament de pells electròniques conductores és d'interès per a moltes aplicacions elèctriques. La recerca sobre pells electròniques conductores ha seguit dues vies: polímers autocuratius conductors o incrustació de materials inorgànics conductors en xarxes de polímers no conductors.
Capacitat sensorial de la pell electrònica