Netwerken van sferische nanodeeltjes ingebed in elastische materialen kunnen tot nu toe de beste rekbare geleiders zijn, hebben technische onderzoekers van de Universiteit van Michigan ontdekt.

Flexibele elektronica heeft een breed scala aan mogelijkheden, van buigbare displays en batterijen tot medische implantaten die met het lichaam meebewegen.

"In wezen gedragen de nieuwe nanodeeltjesmaterialen zich als elastische metalen, " zei Nicholas Kotov, de Joseph B. en Florence V. Cejka hoogleraar Engineering. "Het is nog maar het begin van een nieuwe familie van materialen die kan worden gemaakt van een grote verscheidenheid aan nanodeeltjes voor een breed scala aan toepassingen."

Het vinden van goede geleiders die nog steeds werken als ze tot tweemaal hun lengte worden getrokken, is een hele klus - onderzoekers hebben draden geprobeerd in kronkelige zigzag- of veerachtige patronen, vloeibare metalen, nanodraadnetwerken en meer. Het team was verrast dat bolvormige gouden nanodeeltjes ingebed in polyurethaan de beste van deze konden overtreffen in rekbaarheid en concentratie van elektronen.

"We ontdekten dat nanodeeltjes uitgelijnd in kettingvorm bij het uitrekken. Dat kan uitstekende geleidende paden maken, " zei Yoonseob Kim, eerste auteur van de studie die wordt gepubliceerd in Natuur op 18 juli en een afgestudeerde student in het Kotov-lab in chemische technologie.

Om erachter te komen wat er gebeurde toen het materiaal uitrekte, het team nam ultramoderne elektronenmicroscoopbeelden van de materialen bij verschillende spanningen. De nanodeeltjes begonnen verspreid, maar onder spanning ze konden door de minuscule gaten in het polyurethaan filteren, verbinden in ketens zoals ze zouden doen in een oplossing.

"Terwijl we strekken, ze herschikken zichzelf om de geleidbaarheid te behouden, en dit is de reden waarom we de verbazingwekkende combinatie van rekbaarheid en elektrische geleidbaarheid hebben, ' zei Kotov.

Het team maakte twee versies van hun materiaal:door het in afwisselende lagen te bouwen of door een vloeistof te filteren die polyurethaan en nanodeeltjes bevat om een ​​gemengde laag achter te laten. Algemeen, het laag-voor-laag materiaalontwerp is meer geleidend, terwijl de gefilterde methode zorgt voor extreem soepele materialen. Zonder uit te rekken, het laag-voor-laag materiaal met vijf goudlagen heeft een geleidbaarheid van 11, 000 Siemens per centimeter (S/cm), gelijk aan kwik, terwijl vijf lagen van het gefilterde materiaal binnenkwamen bij 1, 800 S/cm, meer verwant aan goede plastic geleiders.

de griezelige, bloedvatachtig web van nanodeeltjes ontstond in beide materialen bij het uitrekken en verdween toen de materialen ontspanden. Zelfs wanneer het bijna zijn breekpunt nadert, op iets meer dan twee keer de oorspronkelijke lengte, het laag-voor-laag materiaal nog steeds uitgevoerd op 2, 400 S/cm. Getrokken tot een ongekende 5,8 keer de oorspronkelijke lengte, het gefilterde materiaal had een elektrische geleidbaarheid van 35 S/cm - genoeg voor sommige apparaten.

Kotov en Kim zien hun rekbare geleiders vooral als elektroden. Hersenimplantaten zijn van bijzonder belang voor Kotov.

"Ze kunnen veel ziekten verlichten, bijvoorbeeld ernstige depressie, de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Parkinson, " zei hij. "Ze kunnen ook dienen als onderdeel van kunstmatige ledematen en andere prothetische apparaten die door de hersenen worden bestuurd."

Stijve elektroden creëren littekenweefsel dat voorkomt dat de elektrode na verloop van tijd werkt, maar elektroden die bewegen als hersenweefsel kunnen schade aan cellen voorkomen, zei Kotov.

"De rekbaarheid is essentieel tijdens het implantatieproces en de langdurige werking van het implantaat wanneer de druk op het materiaal bijzonder groot kan zijn, " hij zei.

Of het nu in de hersenen is, hart of andere organen - of gebruikt voor metingen op de huid - deze elektroden kunnen net zo buigzaam zijn als het omringende weefsel. Ze kunnen ook worden gebruikt in displays die kunnen worden opgerold of in de gewrichten van levensechte "zachte" robots.

Omdat de neiging tot ketenvorming van nanodeeltjes zo universeel is, kunnen veel andere materialen uitrekken, zoals halfgeleiders. Naast het dienen als flexibele transistors voor computergebruik, elastische halfgeleiders kunnen de levensduur van lithium-ionbatterijen verlengen. Het team van Kotov onderzoekt verschillende vulstoffen voor nanodeeltjes voor rekbare elektronica, inclusief goedkopere metalen en halfgeleiders.

Kotov is een professor in de chemische technologie, biomedische techniek, materiaalwetenschap en techniek en macromoleculaire wetenschap en techniek.