Design inspiré de la toile d'araignée : photodétecteurs 3D performants pour imagerie biomédicale

L'architecture fractale de la toile d'araignée au service de l'optoélectronique

Des innovateurs de l'Université Purdue s'inspirent de l'araignée pour développer de meilleurs photodétecteurs 3D pour l'imagerie biomédicale.

Inspirés par les motifs d'architecture répétitifs d'une toile d'araignée, l'équipe a démontré un réseau de photodétecteurs en forme de dôme, résilient, qui détecte à la fois la direction et l'intensité de la lumière incidente simultanément, comme le système de vision à yeux composés des arthropodes tels que les insectes et crustacés.

« Nous avons employé le design fractal unique d'une toile d'araignée pour le développement d'électroniques déformables et fiables qui peuvent s'interfacer sans couture avec toute surface 3D curviligne », a déclaré Chi Hwan Lee, professeur adjoint en génie biomédical et mécanique à Purdue.

De telles architectures optoélectroniques 3D sont particulièrement précieuses pour les systèmes de photodétection nécessitant de larges champs de vision, de larges angles de vision et une sensibilité plus élevée au mouvement.

Le travail est publié dans la revue en ligne Advanced Materials.

Pourquoi une toile d'araignée ?

Les toiles d'araignée sont bien connues pour fournir une excellente adaptabilité mécanique et une tolérance aux dommages contre diverses charges mécaniques, même dans une tempête.

La propriété structurelle unique du design fractal de toile de Lee et son équipe protège le dispositif en tolérant efficacement diverses charges externes.

Inspirés par l'architecture naturelle, l'arrangement optique de Lee et son équipe distribue le stress induit extérieurement à travers les fils, selon le rapport effectif des dimensions spirales et radiales.

Le réseau de photodétecteurs hémisphérique contient un matériau sensibilisé par colorant organique : un composite hybride graphène. Le dispositif est d'abord fabriqué sur une plaquette de silicium plane à l'échelle micron, puis transféré sur des dômes hémisphériques transparents avec différentes courbures de manière déterministe.

La « toile » fournit une plus grande extensibilité pour mieux dissiper la force sous étirement. De plus, le design tolère des coupures mineures des fils tout en maintenant la force et la fonction globales de l'architecture de toile entière.

Questions/Réponses avec Tech Briefs

Tech Briefs : Pourquoi est-il précieux qu'une architecture optoélectronique ait un design toile ?

Prof. Chi Hwan Lee : Les matériaux et dispositifs optoélectroniques déployés sur des surfaces curvilignes offrent des niveaux de fonctionnalité qualitativement élargis permettant un grand champ de vision sans aberration, ce qui ressemble au système de vision à yeux composés des arthropodes. Ces architectures optoélectroniques 3D sont particulièrement attractives pour les systèmes de photodétection nécessitant un grand champ de vision et une antireflection grand angle. Pour concevoir un système imitant l'œil composé, les procédures les plus prometteuses impliquent l'impression directe de pixels photosensibles sur des surfaces courbes ou hémisphériques de manière soigneusement alignée.

Tech Briefs : Quelle est l'application ou la possibilité la plus excitante avec ce type de design ?

Prof. Lee : Ces efforts ouvrent la voie à la réalisation de diverses formes 3D de photodétecteurs, mais les progrès dans ce domaine sont entravés par la complexité d'assembler des dispositifs et composants optoélectroniques sur des surfaces non planes à l'échelle micron et d'adapter la forme du réseau de photodétecteurs à la courbure hémisphérique fixe.

Pour relever le défi, nous avons employé l'architecture structurelle, ou design fractal, d'une toile d'araignée trouvée dans la nature qui est capable de résister efficacement à diverses charges mécaniques des environnements. Le design fractal de toile qui exhibe un motif répétitif à toutes les échelles fournit des capacités uniques pour : (1) distribuer le stress induit externément à travers les fils selon le rapport effectif des dimensions spirales et radiales ; (2) fournir une plus grande extensibilité pour mieux dissiper la force sous étirement ; et (3) tolérer des coupures mineures des fils tout en maintenant la force et la fonction globales de l'architecture de toile entière.

Tech Briefs : Comment votre réseau fonctionne-t-il ?

Prof. Lee : Notre photodétecteur 3D fournit non seulement la fonctionnalité optoélectronique avancée de détection de la direction et l'intensité de la lumière incidente mais aussi une photoresponsivité supérieure, comparée à d'autres homologues similaires, grâce à l'utilisation d'un nouveau composite hybride graphène-teinture organique sensibilisé comme composant photoactif flexible et efficace.

Les architectures optoélectroniques 3D résultantes sont particulièrement attractives pour les systèmes de photodétection nécessitant un grand champ de vision et une antireflection grand angle, ce qui sera utile pour de nombreux buts d'imagerie biomédicale et militaire.

Tech Briefs : Quelle est la suite de votre recherche ?

Prof. Lee : Notre travail établit une technologie de plateforme qui peut intégrer un design fractal de toile avec de l'électronique et des capteurs hémisphériques au niveau système, offrant ainsi plusieurs excellentes adaptabilités mécaniques et tolérance aux dommages contre diverses charges mécaniques (comme le font les toiles d'araignée). La technique d'assemblage présentée dans ce travail permet de déployer de l'électronique 2D déformable en architectures 3D, ce qui peut présager de nouvelles opportunités pour mieux faire avancer le domaine des dispositifs électroniques et optoélectroniques 3D. Le brevet US est en cours de dépôt via OTC, et nous recherchons des partenaires et cherchons à licencier la technologie.

Ce travail est soutenu par la National Science Foundation (NSF ; CMMI-1928784) et l'Air Force Research Laboratory (AFRL ; S-114-054-002), en collaboration avec le Lab du Prof. Muhammad Ashraf Alam en ECE à Purdue. Publié dans Advanced Materials.