Wetenschap
Nanogestructureerd koperoppervlak toont potentieel voor transparante, antimicrobiële oppervlakken in aanraakschermen
De belangstelling voor antimicrobiële oplossingen voor persoonlijke en multi-user touchscreens, zoals tablets en mobiele apparaten, is de afgelopen jaren gegroeid. Traditionele methoden zoals spuitbare alcohol of doekjes zijn niet ideaal voor deze delicate displays. Antimicrobiële coatings die rechtstreeks op het glas worden aangebracht, zijn een veelbelovend alternatief, maar alleen als ze transparant en duurzaam zijn.
Eerder voorgestelde coatingoplossingen, zoals fotokatalytische metaaloxiden (bijv. TiO2 en ZnO), hebben voor enkele uitdagingen gezorgd. Bovendien vereisen deze coatings doorgaans licht en vocht om antimicrobieel te zijn en de microben op het oppervlak te elimineren.
Koper is een bekend biocide metaal met een hoge werkzaamheid tegen een breed scala aan micro-organismen, en wordt traditioneel gebruikt voor voorwerpen zoals deurklinken en ziekenhuisbedrails.
Kopercoatings zijn echter overwegend ondoorzichtig, wat tot nu toe de realisatie van een transparante, op koper gebaseerde antimicrobiële oplossing die geschikt is voor displays, heeft verhinderd. Bovendien kan de hoge elektrische geleidbaarheid van de metaalfilm een negatieve invloed hebben op de aanraakgevoelige functionaliteit van mobiele apparaten.
Een team van onderzoekers heeft een transparant nanogestructureerd koperoppervlak (TANCS) ontworpen en geïmplementeerd dat niet-geleidend is en bestand is tegen de groei van bepaalde bacteriën. Dat blijkt uit een recent onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Communications Materials hebben ICFO-onderzoekers Christina Graham, Alessia Mezzadrelli onder leiding van ICREA-professor Valerio Pruneri en collega's uit Corning, waaronder Wageesha Senaratne, Santona Pal, Dean Thelen, Lisa Hepburn en Prantik Mazumder, hun nieuwe aanpak beschreven om dit oppervlak te ontwikkelen.
Het fabricageproces van dit oppervlak omvatte het afzetten van een ultradunne koperfilm met een nominale dikte van 3,5 nm op een glassubstraat. Vervolgens gebruikten de onderzoekers een snel thermisch gloeiproces om ontvochtigde Cu-nanodeeltjes te vormen met een optimale grootte en verdeling.
Het specifieke ontwerp en de specifieke methode zorgden voor een antimicrobieel effect, transparantie, kleurneutraliteit en elektrische isolatie. Tenslotte nog extra lagen SiO2 en fluorsilanen werden bovenop de nanodeeltjes afgezet, wat bescherming van het milieu en verbeterde duurzaamheidseigenschappen opleverde met gebruikstests.
De auteurs van het onderzoek onderzochten de morfologie van de gefabriceerde coating, de optische respons, de antimicrobiële werkzaamheid en de mechanische duurzaamheid. De TANCS toonden het vermogen om binnen twee uur meer dan 99,9% van de Staphylococcus aureus aanwezig op de geteste oppervlakken te elimineren, onder strenge droge testomstandigheden.
Bovendien vertoonde het substraat optische transparantie, waardoor 70-80% lichttransmissie in het zichtbare bereik (380-750 nm) en kleurneutraliteit mogelijk was. Ten slotte bleek uit gebruikstests dat de oppervlakken langdurig effectief zijn, waarbij hun antimicrobiële activiteit behouden blijft, zelfs na een rigoureuze veegtestprocedure.
"Dit is een geweldig voorbeeld van het creëren van een product met meerdere kenmerken en tegelijkertijd het optimaliseren van de hoge doeltreffendheid antimicrobiële eigenschappen die werken onder droge testomstandigheden voor testgevallen met aanraakbediening en display-gebruik.
"Ons doel was om de verbanden met biologische prestaties en fysieke eigenschappen aan te tonen, en verdere richtlijnen te bieden voor toekomstig onderzoek", zegt Senaratne, onderzoeker bij Corning en leidend co-auteur van het onderzoek.
"Deze nieuwe benadering van het ontvochtigingsproces opent een verscheidenheid aan nieuwe mogelijkheden om enkele specifieke eigenschappen van metalen te benutten en tegelijkertijd de andere zorgvuldig te kunnen veranderen.
"Hier konden we bijvoorbeeld het krachtige antimicrobiële effect van koper behouden en tegelijkertijd transparantie en isolatie verkrijgen ondanks het gebruik van een metaal", zegt Mezzadrelli, auteur van de studie en Ph.D. student van het Nano-Glass project.
De introductie van deze transparante antimicrobiële oppervlakken is veelbelovend in een wereld die steeds afhankelijker wordt van aanraakbare beeldschermen, waaronder smartphones en tablets.
"Hoewel verdere ontwikkeling noodzakelijk is voor een volwaardige commerciële toepassing, is dit een stap in de goede richting om antimicrobiële aanraakschermen mogelijk te maken voor openbare of persoonlijke beeldschermen", zegt Mazumder, onderzoeker bij Corning en co-auteur van het onderzoek.
"Het proof-of-concept-oppervlak dat we samen met Corning hebben ontwikkeld, is een voorbeeld van onze voortdurende gezamenlijke inspanningen in de ontwikkeling van verbeterd multifunctioneel schermglas met behulp van nanostructurering", zegt Pruneri, ICREA-professor bij ICFO en coördinator van het Nano-Glass project.