ТЕНЗОДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ Л.П.Ичкитидзе, Е.А. Бубнова*, С.С. Корнилов Национальный исследовательский институт МИЭТ, Москва *e-mail: bubnova_zhenya@mail.ru 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/мK), 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: leo852@inbox.ru Бубнова Евгения Андреевна – магистр НИУ «МИЭТ», д.р.: 24.11.1991 г. e-mail: bubnova_zhenya@mail.ru Корнилов Сергей Сергеевич – магистр НИУ «МИЭТ», д.р.: 02.09.1992 г. e-mail: sergey-kornilov@yandex.ru Вид доклада: устный