Grafenowe detektory kropek kwantowych do zakładanych urządzeń monitorujących nowej generacji
Monitorowanie stanu zdrowia, szczególnie w trakcie ćwiczeń, było jednym z pierwszych zastosowań, dzięki którym rozwinięto koncepcję inteligentnych urządzeń do noszenia w rzeczywiste produkty nadające się do sprzedaży. Jednak rozszerzone systemy do monitorowania zdrowia wykrywające różne rodzaje znaczników stanu zdrowia szybko stają się zbyt obszerne. Oznacza to, że do tej pory inżynierowie musieli znajdować optymalny kompromis między funkcjonalnością a wygodą: możliwe było zintegrowanie jedynie ograniczonej liczby komponentów, przez co cały system był mniej atrakcyjny, niż mógłby być. Rozwiązanie, zdaniem dr. Franka Koppensa z Hiszpańskiego Instytutu Fotoniki (ICFO), leży w szczególnych właściwościach grafenowych wykrywaczy kropek kwantowych (GQD) – fotodetektorów o właściwościach grafenu i półprzewodnikowych kropek kwantowych. Detektory GQD rzeczywiście umożliwiłyby zaprojektowanie elastycznego, zwartego i poręcznego systemu do ciągłego monitorowania stanu zdrowia i kondycji fizycznej sportowców podczas ćwiczeń lub po urazie. „Nasz fotodetektor jest bardzo czuły na światło w szerokim zakresie długości fal od 300 do 2 200 nm. A co najważniejsze, jest elastyczny”, podkreśla dr Koppens. „Jest to możliwe, ponieważ, zasadniczo, detektor można umieścić na dowolnym elastycznym podłożu. Ma on zaledwie kilkaset nanometrów grubości, więc doskonale nadaje się do integracji z czujnikami do noszenia”. Wykorzystanie grafenu jest tutaj kluczowe, ponieważ pozwala on na wytwarzanie ultracienkich przewodników o ponadprzeciętnie dobrej przewodności i mobilności elektronicznej. Ponadto grafen może być łatwo przenoszony na elastyczne podłoża i może pokrywać stosunkowo duże obszary. Dr Koppens wyjaśnia: „Działa to w następujący sposób: światło, czy to z urządzenia LED, czy z otoczenia, przenika przez skórę, a następnie oddziałuje na tkanki i naczynia krwionośne. Tam jest częściowo wchłaniane, ale także częściowo odbija się od skóry i może zostać wychwycone przez detektor. Gdy naczynia krwionośne będą się rozszerzać i kurczyć pod wpływem bicia serca, sygnał fotodetekcji również będzie modulował. Innymi słowy, bicie serca będzie bezpośrednio widoczne na podstawie sygnału fotodetekcji”. To oczywiście tylko przykład. Technologia opracowana w ramach projektu GRAPHEALTH (Hybrid quantum dot and graphene wearable sensor for systemic haemodynamics and hydration-monitoring) może być także wykorzystywana do monitorowania stężenia tlenu. Wkrótce wykrywanie innych ważnych znaczników stanu zdrowia również stanie się możliwe. Fotodetektor GRAPHEALTH jest kompatybilny ze stosowanymi obecnie procesami wytwarzania elastycznych układów elektronicznych, co oznacza, że branża nie powinna ponosić dużych kosztów inwestycyjnych. „Opracowaliśmy kilka prototypowych urządzeń do noszenia – w tym jedno na nadgarstek oraz plaster, który właściwie jest cienką naklejką – i wykazaliśmy, że można je wytwarzać z wykorzystaniem skalowalnego grafenu o dużym polu powierzchni”, mówi dr Koppens. Projekt został już zakończony, a dr Koppens i jego zespół zamierzają pracować nad zwiększeniem wszechstronności systemu GRAPHEALTH poprzez integrację funkcji wykrywania kolejnych znaczników stanu zdrowia. Naukowcy chcą także stworzyć całkowicie zintegrowany plaster do monitorowania stanu zdrowia z układami elektronicznymi oraz systemami do bezprzewodowego przesyłania energii i danych. „Trudno jest przewidzieć, jak będzie przebiegać potencjalna komercjalizacja, ponieważ rynek elastycznych układów elektronicznych i urządzeń do noszenia jest bardzo młody. Możemy stworzyć szeroki asortyment różnych przedmiotów do noszenia, a także uwzględnić integrację z istniejącymi akcesoriami, takimi jak inteligentne zegarki. Obecnie wyzwaniem jest wybranie właściwego zastosowania, na którym się skupimy”, podsumowuje dr Koppens.
Słowa kluczowe
GRAPHEALTH, monitorowanie stanu zdrowia, grafen, inteligentne akcesoria do noszenia
