Berøringsfri skærme afløser berøringsskærme?

Selvom touchskærme er praktiske, berøringsfri skærme ville være endnu mere. Det er fordi, på trods af, at touchskærme har gjort det muligt for smartphonen at komme ind i vores liv og er afgørende for, at vi kan bruge pengeautomater eller billetautomater, de har visse ulemper. Touchskærme lider af mekanisk slid over tid og er en transmissionsvej for bakterier og vira. For at undgå disse problemer, forskere ved Stuttgarts Max Planck Institute for Solid State Research og LMU München har nu udviklet nanostrukturer, der ændrer deres elektriske og endda deres optiske egenskaber, så snart en finger kommer i nærheden af ​​dem.

En berøringsfri skærm kan være i stand til at udnytte et menneskeligt træk, som er af afgørende betydning, selvom det nogle gange er uønsket:Dette er det faktum, at vores krop sveder – og konstant udsender vandmolekyler gennem små porer i huden. Forskere fra Nanochemistry-gruppen ledet af Bettina Lotsch ved Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart og LMU München har nu været i stand til at visualisere transpirationen af ​​en finger med en speciel fugtsensor, der reagerer så snart et objekt - som en pegefinger – nærmer sig dens overflade, uden at røre den. Den stigende luftfugtighed omdannes til et elektrisk signal eller omsættes til en farveændring, således at den kan måles.

Phosphatoantimonsyre er det, der gør det i stand til at gøre dette. Denne syre er et krystallinsk fast stof ved stuetemperatur med en struktur bestående af antimon, fosfor, oxygen- og brintatomer. "Det har længe været kendt af forskere, at dette materiale er i stand til at optage vand og svulmer betydeligt i processen, " forklarede Pirmin Ganter, ph.d.-studerende ved Max Planck Institute for Solid State Research og Kemiafdelingen ved LMU München. Denne vandoptagelse ændrer også materialets egenskaber. For eksempel, dens elektriske ledningsevne stiger, efterhånden som antallet af lagrede vandmolekyler stiger. Det er det, der gør det muligt at tjene som et mål for den omgivende fugt.

En sandwich nanomateriale struktur udsat for fugt ændrer også sin farve

Imidlertid, forskerne er ikke så interesserede i at udvikle en ny fugtsensor. Det, de virkelig ønsker, er at bruge det i berøringsfri skærme. "Fordi disse sensorer reagerer på en meget lokal måde på enhver stigning i fugt, det er ret tænkeligt, at denne slags materiale med fugtafhængige egenskaber også kan bruges til berøringsfri skærme og skærme, " sagde Ganter. Berøringsfri skærme af denne art ville ikke kræve mere end en finger for at komme i nærheden af ​​skærmen for at ændre deres elektriske eller optiske egenskaber – og med dem indgangssignalet – på et bestemt punkt på skærmen.

Med phosphatoantimonate nanosheets som grundlag, Stuttgart-forskerne udviklede derefter en fotonisk nanostruktur, som reagerer på fugten ved at ændre farve. "Hvis dette var indbygget i en skærm, brugerne ville derefter modtage synlig feedback på deres fingerbevægelser" forklarede Katalin Szendrei, også ph.d.-studerende i Bettina Lotschs gruppe. Til denne ende, forskerne skabte et flerlags sandwichmateriale med vekslende lag af ultratynde phosphatoantimonate nanoplader og siliciumdioxid (SiO2) eller titaniumdioxid nanopartikler (TiO2). Bestående af mere end ti lag, stakken nåede til sidst en højde på lidt mere end en milliontedel meter.

For én ting, farven på sandwichmaterialet kan indstilles via lagenes tykkelse. Og for en anden, farven på sandwichen ændrer sig, hvis forskerne øger den relative luftfugtighed i materialets umiddelbare omgivelser, for eksempel ved at bevæge en finger mod skærmen. "Årsagen til dette ligger i opbevaringen af ​​vandmolekyler mellem fosfatoantimonatlagene, hvilket får lagene til at svulme betydeligt op, " forklarede Katalin Szendrei. "En ændring i tykkelsen af ​​lagene i denne proces er ledsaget af en ændring i farven på sensoren - produceret på samme måde som det, der giver farve til en sommerfuglevinge eller i perlemor. "

Materialet reagerer på fugtændringen inden for få millisekunder

Dette er en egenskab, der er grundlæggende velkendt og karakteristisk for såkaldte fotoniske krystaller. Men videnskabsmænd havde aldrig før observeret en så stor farveændring, som de nu har i laboratoriet i Stuttgart. "Farven på nanostrukturen skifter fra blå til rød, når en finger kommer tæt på, for eksempel. På denne måde farven kan indstilles gennem hele det synlige spektrum afhængigt af mængden af ​​optaget vanddamp, " understregede Bettina Lotsch.

Forskernes nye tilgang er ikke kun fængslende på grund af den slående farveændring. Det, der også er vigtigt, er, at materialet reagerer på ændringen i luftfugtighed inden for få millisekunder – bogstaveligt talt på et øjeblik. Tidligere rapporterede materialer tog normalt flere sekunder eller mere at reagere. Det er alt for langsomt til praktiske anvendelser. Og der er en anden ting, som andre materialer ikke altid kunne:Sandwichstrukturen bestående af phosphatoantimonate nanoplader og oxidnanopartikler er meget stabil ud fra et kemisk perspektiv og reagerer selektivt på vanddamp.

Et lag, der beskytter mod kemiske påvirkninger, skal slippe fugt igennem

Forskerne kan forestille sig, at deres materialer bliver brugt i meget mere end blot fremtidige generationer af smartphones, tablets eller notesbøger. "Ultimativt, vi kunne se berøringsfri skærme også blive installeret mange steder, hvor folk i øjeblikket er nødt til at røre ved skærme for at navigere, " sagde Bettina Lotsch. For eksempel i pengeautomater eller billetautomater, eller endda ved vægten i supermarkedets grøntsagsgang. Displays på offentlige steder, der bruges af mange forskellige mennesker, ville have tydelige hygiejnefordele, hvis de var berøringsfri.

Men før vi ser dem blive brugt sådanne steder, forskerne har nogle flere udfordringer at overvinde. Det er vigtigt, for eksempel, at nanostrukturerne kan produceres økonomisk. For at minimere slid, strukturerne skal stadig belægges med et beskyttende lag, hvis de skal bruges i noget som en skærm. Og det, igen, skal ikke opfylde ét men to forskellige krav:Det skal beskytte de fugtfølsomme lag mod kemiske og mekaniske påvirkninger. Og det skal, selvfølgelig, lad fugten passere igennem. Men Stuttgart-forskerne har allerede en idé til, hvordan man opnår det. En idé, de lige nu begynder at føre ud i livet med en ekstra samarbejdspartner ombord.