Ученые разработали удобный для человека сверхгибкий органический датчик, работающий от солнечного света, который действует как автономный кардиомонитор. Ранее они разработали гибкий фотоэлектрический элемент, который можно было встроить в текстиль. В этом исследовании они напрямую интегрировали сенсорное устройство, называемое органическим электрохимическим транзистором - тип электронного устройства, которое можно использовать для измерения различных биологических функций - в гибкий органический солнечный элемент. Используя его, они смогли измерить сердцебиение крыс и людей в условиях яркого освещения.
Устройства с автономным питанием, которые можно разместить непосредственно на коже или ткани человека, имеют большой потенциал для медицинского применения. Их можно использовать в качестве физиологических датчиков для мониторинга в реальном времени работы сердца или мозга в организме человека. Однако практическая реализация оказалась нецелесообразной из-за громоздкости батарей и недостаточного источника питания или из-за шумовых помех от источника питания, препятствующих совместимости и длительной эксплуатации.
Ключевым требованием к таким устройствам является стабильное и адекватное энергоснабжение. Ключевым достижением в этом исследовании, опубликованном в журнале Nature, является использование нанорешетчатой поверхности на поглотителях света солнечного элемента, что обеспечивает высокую эффективность фотопреобразования (PCE) и независимость от угла освещения. Благодаря этому исследователи смогли достичь PCE 10,5 процента и высокого отношения мощности к весу 11,46 Вт на грамм, что приближается к «магическому числу» 15 процентов, которое сделает органические фотоэлектрические элементы конкурентоспособными с их основанными на кремнии. аналоги. Они продемонстрировали снижение PCE всего на 25 процентов (с 9,82% до 7,33%) при повторных испытаниях на сжатие (900 циклов) и более высокий прирост PCE на 45 процентов по сравнению с устройствами без решетки при угле освещения 60 градусов.
Чтобы продемонстрировать практическое применение, сенсорные устройства, называемые органическими электрохимическими транзисторами, были интегрированы с органическими солнечными элементами на ультратонкой (1 мкм) подложке, чтобы обеспечить автономное обнаружение сердцебиения либо на коже, либо на запись электрокардиографических (ЭКГ) сигналов непосредственно на сердце крысы. Они обнаружили, что устройство хорошо работало при уровне освещенности 10 000 люкс, что эквивалентно свету, видимому в тени в ясный солнечный день, и производило меньше шума, чем аналогичные устройства, подключенные к батарее, предположительно потому, что отсутствия электрических проводов.
По словам Кенджиро Фукуды из Центра новых исследований в области материи RIKEN: «Это хороший шаг вперед в стремлении создать устройства для медицинского мониторинга с автономным питанием, которые можно размещать на тканях человека. Осталось несколько важных задач, таких как разработка гибких накопителей энергии, и мы будем продолжать сотрудничать с другими группами для производства практических устройств. Важно отметить, что для текущих экспериментов мы работали с аналоговой частью нашего устройства, которая питает устройство и проводит измерения. Существует также цифровая кремниевая часть для передачи данных, и дальнейшая работа в этой области также поможет сделать такие устройства практичными». Исследование было проведено RIKEN в сотрудничестве с исследователями из Токийского университета.