De huidige technologieën op nanoschaal zijn geavanceerd genoeg om te worden toegepast in een eindeloos aantal nuttige apparaten, van sensoren in touchscreen-apparaten en huishoudelijke apparaten tot draagbare biosensoren die de chemische niveaus in ons bloed kunnen controleren, spier beweging, ademhaling en hartslag. In aanvulling, er zijn technologieën voor precisieapparatuur, zoals scanningsondemicroscopen met hoge resolutie waarmee oppervlakken niet alleen op atomair niveau kunnen worden gevisualiseerd, maar zelfs de individuele atomen zelf.

Deze apparaten maken typisch gebruik van elektroden die zijn gemaakt door dunne coatings van geleidende materialen op glas of keramische substraten aan te brengen. Echter, dit soort elektroden zijn kwetsbaar en hebben geen flexibiliteit, en ze kunnen zowel kostbare en beperkte materialen als moeilijke fabricagemethoden omvatten.

Een alternatief materiaal dat veel aandacht krijgt, zijn zilveren nanodraden; deze draden hebben zeer kleine diameters (zo klein als een duizendste van een millimeter) en kunnen worden gefabriceerd in verschillende dwarsdoorsnedevormen en configuraties. Ze zijn ook onovertroffen in geleidbaarheid, hebben superieure mechanische sterkte en flexibiliteit en kunnen gemakkelijk worden gesynthetiseerd met gemakkelijk verkrijgbare materialen. Deze kwaliteiten en de veelzijdigheid van zilveren nanodraden maken ze bijzonder aantrekkelijk, niet alleen voor veel veelgebruikte elektronische apparaten, maar ook voor innovaties in flexibele elektronica, zoals flexibele mobiele telefoons en tablets, goedkope zonnepanelen of zonnecellen die op behang of kleding gefabriceerd kunnen worden.

Zilveren nanodraden zijn met succes gebruikt als elektroden in verschillende elektronische apparaten; echter, hun commercieel gebruik is belemmerd door hun kwetsbaarheid voor de corrosieve effecten van hitte, licht, en vocht. Dergelijke corrosie kan resulteren in putjes en gaten of "etsen" op het oppervlak van de nanodraad, wat een negatief effect heeft op hun elektrische, mechanisch, en optische eigenschappen. Etsen kan zeer schadelijk zijn voor de prestaties van op zilveren nanodraad gebaseerde apparaten en kan zelfs leiden tot falen.

Eerdere pogingen zijn gedaan om beschermende schalen rond zilveren nanodraden te fabriceren. In een poging, een dun polymeer werd op een substraat afgezet als een nanodraadbarrière. Er zijn ook beschermende dunne metalen of koolstofschillen op de oppervlakken van de nanodraden gegroeid. Dit verhoogde de levensduur en prestaties van zilveren nanodraden die als transparante elektroden werden gebruikt; echter, de schaaloppervlakken misten de uniforme gladheid die nodig is voor meer nauwkeurige apparaten.

Onderzoekers van het Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) hebben met succes een methode ontwikkeld voor het vervaardigen van ultradunne schelpen rond zilveren nanodraden, wat resulteert in superieure stabiliteit en effectiviteit.

Ze kozen eerst goud voor hun beschermende schelpen vanwege de weerstand tegen hitte, licht, en vocht. De structuur is ook vergelijkbaar met die van zilver, die de groei van ultradunne goudlagen op de zilveren nanodraadoppervlakken vergemakkelijkt. Echter, er is een waarschuwing:er kunnen geladen goudatomen bestaan ​​die kunnen reageren met het zilver zelf, het vormen van gaten of poriën, wat duidelijk problematisch zou zijn. Het TIBI-team loste dit probleem op door een chemische stof te kiezen om te complexeren met de geladen goudatomen; dit onderdrukt effectief porievorming.

Het team ontwikkelde vervolgens een kamertemperatuur, op oplossingen gebaseerde fabricagemethode die een eenvoudige installatie en ongecompliceerd, schaalbare stappen. In aanvulling, hun methode maakte het mogelijk de reactietijden en mengsels aan te passen om de dikte van de afgezette goudlagen te regelen.

Ze synthetiseerden zilveren nanodraden door oplossingen te combineren en de nanodraden te laten groeien en kristalliseren. De gouden oplossing die experimenteel geoptimaliseerde chemicaliën bevatte om etsen te elimineren en om te helpen bij de soepele afzetting van goudlagen, werd toen geïntroduceerd. Ze optimaliseerden ook de experimentele omstandigheden om de chemische stabiliteit van de nanodraden te verbeteren.

De resulterende zilveren nanodraden hadden goed gedefinieerde, drie nanometer dikke gouden coatings, met gladde oppervlakken, vrij van etsen. Ze vertoonden ook een stabiliserende zilver-gouden interface, wat absoluut noodzakelijk is om de optische en elektrische eigenschappen van de nanodraden te behouden.

"We hebben elke mogelijke uitdaging overwogen bij het ontwerpen van een effectieve methode om de levensduur van op zilveren nanodraad gebaseerde apparaten te verlengen, " zei Yangzhi Zhu, doctoraat, eerste auteur van het project. "Onze gegevens laten duidelijk zien dat we in staat waren om effectieve oplossingen voor deze uitdagingen te creëren."

Het TIBI-team voerde vervolgens experimenten uit om de duurzaamheid van de met goud beklede en onbehandelde zilveren nanodraden te evalueren. Wanneer nanodraden werden blootgesteld aan lucht; de ongecoate zilveren nanodraden raakten zwaar beschadigd en verslechterden na tien dagen. De met goud beklede nanodraden bleven zelfs na zes maanden onveranderd. Vergelijkbare resultaten werden verkregen nadat beide nanodraden waren blootgesteld aan de schadelijke effecten van waterstofperoxide en natrium-gebufferde zoutoplossing.

In prestatietests van flexibele transparante elektroden, beide nanodraden werden blootgesteld aan hoge hitte en vochtigheid; de niet-gecoate nanodraden begaven het na 12 dagen, maar de prestaties van de met goud beklede zilveren nanodraden waren vergelijkbaar met die van de best presterende commerciële nanodraden.

Bij prestatietests op optische apparaten, de met goud beklede nanodraden vertoonden hoge prestaties na 21 dagen. In tegenstelling tot, de onbehandelde zilveren nanodraden vertoonden binnen een week een verminderde efficiëntie en faalden uiteindelijk. Verder, de tests toonden aan dat er geen extra achtergrondgeluid werd geïntroduceerd door de gouden schelpen.

Binnen hetzelfde tijdsbestek, de met goud beklede nanodraden vertoonden superieure resultaten wanneer ze werden getest in hoge resolutie scanning probe microscopie, het leveren van onwrikbare beelden van hoge kwaliteit. In tegenstelling tot, de beeldkwaliteit van de onbehandelde nanodraden nam geleidelijk af totdat het apparaat defect raakte. Dit zijn opmerkelijke prestaties, aangezien dit type microscopie een hoge mate van mechanische stress met zich meebrengt en stabiliteit van nanodraad cruciaal is.

"Het gebruik van zilveren nanodraden in talloze apparaten heeft veel voordelen, dus het vermogen om hun prestaties en duurzaamheid te verbeteren, creëert een grote impact, " zei Ali Khademhosseini, doctoraat, Directeur en CEO van TIBI. "De methoden die we hebben bedacht om dat te bereiken, illustreren de kwaliteit van het werk van ons instituut."

Details van het onderzoek zijn gepubliceerd in Nano-onderzoek .