Elastisk elektronik:Strækbar guldleder vokser sine egne ledninger

Netværk af sfæriske nanopartikler indlejret i elastiske materialer kan lave de bedste strækbare ledere endnu, Det har ingeniørforskere ved University of Michigan opdaget.

Fleksibel elektronik har en bred vifte af muligheder, fra bøjelige skærme og batterier til medicinske implantater, der bevæger sig med kroppen.

"I bund og grund opfører de nye nanopartikelmaterialer sig som elastiske metaller, sagde Nicholas Kotov, Joseph B. og Florence V. Cejka professor i ingeniørvidenskab. "Det er kun starten på en ny familie af materialer, der kan fremstilles af en lang række nanopartikler til en bred vifte af applikationer."

At finde gode ledere, der stadig fungerer, når de trækkes til det dobbelte af deres længde, er en stor opgave - forskere har prøvet ledninger i snoede zigzag- eller fjederlignende mønstre, flydende metaller, nanowire-netværk og mere. Holdet var overrasket over, at sfæriske guldnanopartikler indlejret i polyurethan kunne udkonkurrere de bedste af disse i strækbarhed og koncentration af elektroner.

"Vi fandt ud af, at nanopartikler tilpassede sig i kædeform, når de strækkes. Det kan skabe fremragende ledningsbaner, " sagde Yoonseob Kim, første forfatter til undersøgelsen, der skal publiceres i Natur den 18. juli og en kandidatstuderende i Kotov-laboratoriet i kemiteknik.

For at finde ud af, hvad der skete, mens materialet strakte sig, holdet tog state-of-the-art elektronmikroskopbilleder af materialerne ved forskellige spændinger. Nanopartiklerne startede spredt, men under pres, de kunne filtrere gennem de små huller i polyurethanen, forbindes i kæder som i en løsning.

"Når vi strækker os, de omarrangerer sig selv for at bevare ledningsevnen, og dette er grunden til, at vi fik den fantastiske kombination af strækbarhed og elektrisk ledningsevne, " sagde Kotov.

Holdet lavede to versioner af deres materiale - ved at bygge det i skiftende lag eller filtrere en væske indeholdende polyurethan og nanopartikelklumper for at efterlade et blandet lag. Samlet set, lag-for-lag materialedesignet er mere ledende, mens den filtrerede metode giver ekstremt smidige materialer. Uden at strække, lag-for-lag-materialet med fem guldlag har en konduktans på 11, 000 Siemens pr. centimeter (S/cm), på niveau med kviksølv, mens fem lag af det filtrerede materiale kom ind på 1, 800 S/cm, mere beslægtet med gode plastledere.

Det uhyggelige, blodkar-lignende væv af nanopartikler opstod i begge materialer ved strækning og forsvandt, når materialerne slappede af. Selv når det er tæt på bristepunktet, med lidt mere end det dobbelte af sin oprindelige længde, det lag-for-lag materiale stadig ledes ved 2, 400 S/cm. Træk til en hidtil uset 5,8 gange sin oprindelige længde, det filtrerede materiale havde en elektrisk ledningsevne på 35 S/cm - nok til nogle enheder.

Kotov og Kim ser primært deres strækbare ledere som elektroder. Hjerneimplantater er af særlig interesse for Kotov.

"De kan lindre en masse sygdomme - f.eks. svær depression, Alzheimers sygdom og Parkinsons sygdom, " sagde han. "De kan også tjene som en del af kunstige lemmer og andre proteseanordninger styret af hjernen."

Stive elektroder skaber arvæv, der forhindrer elektroden i at virke over tid, men elektroder, der bevæger sig som hjernevæv, kan undgå at beskadige celler, sagde Kotov.

"Strækbarheden er afgørende under implantationsprocessen og langvarig drift af implantatet, når belastningen på materialet kan være særlig stor, " han sagde.

Uanset om det er i hjernen, hjerte eller andre organer – eller bruges til målinger på huden – disse elektroder kunne være lige så bøjelige som det omgivende væv. De kunne også bruges i displays, der kan rulles sammen eller i leddene på naturtro "bløde" robotter.

Fordi nanopartiklernes kædedannende tendens er så universel, kan mange andre materialer strække sig, såsom halvledere. Ud over at tjene som fleksible transistorer til databehandling, elastiske halvledere kan forlænge levetiden for lithium-ion-batterier. Kotovs team udforsker forskellige nanopartikelfyldstoffer til strækbar elektronik, herunder billigere metaller og halvledere.

Kotov er professor i kemiteknik, biomedicinsk videnskab, materialevidenskab og teknik og makromolekylær videnskab og teknik.