ТЕНЗОДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ

ТЕНЗОДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ДЛЯ
БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
Л.П.Ичкитидзе, Е.А. Бубнова*, С.С. Корнилов
Национальный исследовательский институт МИЭТ, Москва
*e-mail: [email protected]
Углеродные нанотрубки (УНТ) являются наночастицами в форме
полых цилиндрических нитей диаметром от одного до нескольких десятков нанометров с аспектным соотношением более 100. Однослойным УНТ
(ОУНТ) и многослойным УНТ (МУНТ) присущи уникальные свойства:
механические (высокая прочность на разрыв, упругость), электрические
(высокая удельная проводимость, высокая токонесущая способность), высокая теплопроводность (3000 Вт/мK), низкая плотность (1600 кг/м3) и
др. Следовательно, на основе УНТ будут создаваться новые наноматериалы, в том числе новые медицинские наноматериалы с высокой степенью
биосовместимости. В этом направлении уже проведены некоторые исследования, в частности, изучен процесс регенерации костной ткани на подложках из УНТ [1], и создан электропроводящий композитный наноматериал (матрица – карбоксилметилцеллюлоза, наполнитель – УНТ) [2].
Ожидается, что последний станет функциональным материалом в создании новых биодатчиков и систем.
Датчики деформации, т.е. тензодатчики, обычные из фольги платины, являются гибкими и стабильными, но их тензочувствительность S 6
сильно уступают полупроводниковым датчикам S ~150. Однако последние
имеют очень высокий температурный коэффициент сопротивления и требуют дополнительной системы стабилизации температуры. С другой стороны, для многофункциональных приложений существует потребность в
простых, дешевых тензодатчиках с высокими S . Ожидается, что такими
станут тензодатчики на основе УНТ, и они будут применены в биомедицине, например в терапии, когда необходимо контролировать движения
различных частей тела.
Действительно, тензодатчик, созданный на подложке полидиметилсилоксана путем вертикального выращивания пленки ОУНТ с помощью
химического осаждения паров, обладает высокой проводимостью
(~100 кСм/м), малым весом, хорошо гнуться и при этом плотно прилегают
к телу человека [3]. Конструкция тензодатчика смогла выдержать деформацию вплоть до e ~280% и высокую долговечность до 10000 измерений
при деформации 150%.
Технологической задачей остается интеграция таких датчиков на
смарт-одежду или непосредственно на тело для мониторинга движений в
реальном времени, которая может найти применение в медицине для
реабилитации пациента, мониторинга здоровья или использоваться как
оборудование для виртуальной реальности.
В другом тензодатичке, состоящем из трех слоев удалось добиться
растяжения в 300% [4]. Два слоя УНТ (однослойные и двуслойные) пленок
в качестве электродов, расположили на двух сторонах пластинки из
силиконового эластомера, чтобы образовать параллельные пластины, как
конденсатор. Когда образец растягивается, изменения в деформации
проявляются в виде изменений в емкости – она увеличивается.
Продемонстрированы некоторые данные датчика деформаций
помещенного на резиновую перчатку (рисунок 1) [5]. В отличие от оптоволоконных и тензометрических датчиков на основе металлической
фольги, полученные гибкие тензодатчики с УНТ характеризуются легкой и
многократной интеграцией и не стесняют движений рук. Динамические
характеристики данного датчика
исследованы путем циклической
деформации образца от 0 до 100% при скорости 20 мм/с, времени
восстановления 10 секунд в каждом цикле. Емкостной отклик оставался
практически мгновенным с допустимым временем задержки (~100 мс).
Рисунок 1 – Демонстрация обнаружения движения кисти человека с использованием
датчиков деформации. Когда пальцы ассистента постепенно сгибались в кулак, емкость
датчика шаг за шагом возрастала (стадия I-V). Емкость вернулась к первоначальному
значению после того, как пальцы были полностью развернуты (стадия VI-VIII).
Неожиданные острые пики, например, один отмечен стрелкой, возникшие из-за
случайного прерывания медных проволочных электродов [4].
Максимальное e ~ 620% было зафиксировано в тензодатчике, состоявшем из многослойных УНТ (МУНТ) зажатых между слоями натурального каучука [6]. Чувствительность датчика измерялась как отношение относительного сопротивления к относительному растяжению и составила
S  43,4. Несмотря на то, что датчик оказался очень чувствительным он
имел сильную нелинейность при e 100 %, следовательно, требовал дополнительных мер для преобразования нелинейности.
МУНТ перемешивался с различными матрицами (акрил и эпоксидная смола), а затем раствор под давлением 2 бара наносился на испытуемый материал, образуя пленку, методами распыления или шелкографии
[7]. Тензодатчики содержали 1,5% или 0,75% мас. МУНТ. Соответствую-
щие сопротивления были 8 кОм и 12 кОм – для слоев осажденных методом распыления, и 15 кОм и 25 кОм – для слоев осажденных методом
шелкографии. Линейное изменение сопротивления при удлинении наблюдалось в образцах с 0,75% мас. МУНТ, а в образцах с 1,5% мас. МУНТ –
нелинейное. В последнем случае, нелинейное поведение, по-видимому,
связано с деформацией больших пучков УНТ в материале матрицы.
Тензодатчик со свойствами демпфирования был сделан из пленки
МУНТ, зажатой между двумя слоями латексного клея [8]. Проведен анализ
картин полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Сделан вывод, что пленка состоит из случайным образом спутанных 3D
сетей МУНТ, для которых электрические свойства изотропны. Сопротивление пленки находилось в пределах 30-300 Ом, а модуль Юнга в пределах
0,3-8 ГПа. Этот тип тензодатчика может быть применен для оценки вредных колебаний для здоровья человека в системах контроля вибрации.
Результаты различных исследований указывают на хорошие перспективы использования УНТ в композитных наноматериалах для создания различных типов тензодатчиков.
Библиографический список
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Zanello L.P., Zhao B., Hu H. Bone сell proliferation on carbon nanotubes // Nano Lett.
2006. V. 6(III). P. 562-567.
Ичктидзе Л.П., Подгаецкий В.М., Селищев С.В. Механические свойства объемного нанокомпозита, полученного при лазерного облучении
продукта при лазерного облучении // Изв. вузов. Физика. 2010. № 3/2. С. 125-129.
Takeo Y., and et al. A stretchable carbon nanotube strain sensor for human-motion detection // Nature Nanotechnology. 2011. V. 6. P. 296–301.
Le Cai and et al. Super-stretchable, Transparent carbon nanotube-based capacitive
strain sensors for human motion detection // Scientific Reports. 2013. V. 3(3048). 8 p.
Hanly E., Talamini M. Robotic abdominal surgery // The American Journal of Surge.
2004. V. 188. P. 19–26.
Tadakaluru S., Thongsuwan W. and Singjai P. Stretchable and Flexible High-Strain
Sensors Made Using Carbon Nanotubes and Graphite Films on Natural Rubber // Sensors.
2014. V. 14. P. 868-876.
Grabowski1 K., Zbyrad P., Wilmanski A., Uhl T. Strain sensors based on carbon nanotube – polymer coatings // 7th European Workshop on Structural Health Monitoring.
2014. version 1. P. 1768-1772.
Li X. and Levy C. A Novel Strain Gauge with Damping Capability // Sensors &
Transducers Journal. 2009 V. 7. Special Issue. P. 5-14.
Сведения об авторах
Ичкитидзе Леван Павлович – к.ф.-м.н., с.н.с., НИУ «МИЭТ», д.р.:
04.03.1949 г. e-mail: [email protected]
Бубнова Евгения Андреевна – магистр НИУ «МИЭТ», д.р.: 24.11.1991 г.
e-mail: [email protected]
Корнилов Сергей Сергеевич – магистр НИУ «МИЭТ», д.р.: 02.09.1992 г.
e-mail: [email protected]
Вид доклада: устный