Medan Frihetsgudinnan och gamla slantar kan fortsätta att bli gröna, tryckt elektronik och mediaskärmar gjorda av nanotrådar av koppar kommer alltid att behålla sin ursprungliga färg.
Duke University kemister skapade en ny uppsättning flexibla, elektriskt ledande nanotrådar från tunna strängar av kopparatomer blandade med nickel. Koppar-nickel nanotrådarna, i form av en film, leda elektricitet även under förhållanden som bryter ner överföringen av elektroner i nanotrådar i vanligt silver och koppar, visar en ny studie.
Eftersom filmer gjorda med koppar-nickel nanotrådar är stabila och är relativt billiga att skapa, de är ett attraktivt alternativ att använda i tryckt elektronik, produkter som elektroniskt papper, smarta förpackningar och interaktiva kläder, sa Benjamin Wiley, en biträdande professor i kemi vid Duke. Hans team beskriver de nya nanotrådarna i en Nanobokstäver tidning publicerad online 29 maj.
De nya koppar-nickel nanotrådarna är det senaste nanomaterialet Wileys labb har utvecklat som ett möjligt lågkostnadsalternativ till indiumtennoxid, eller ITO. Detta material är belagt på glas för att bilda det genomskinliga ledande skiktet i displayskärmarna på mobiltelefoner, e-läsare och iPads.
Indium, för $600 - $800 per kilogram, är ett dyrt sällsynt jordartselement. Det mesta bryts och exporteras från Kina, som minskar exporten, vilket får indiums pris att öka. Indiumtennoxid avsätts som en ånga i en relativt långsam, dyr beläggningsprocess, lägga till dess kostnad. Och filmen är skör, vilket är en viktig anledning till att signaturblocken vid kassan i livsmedelsbutikerna så småningom misslyckas och varför det ännu inte finns en flexibel, rullbar iPad.
Förra året, Wileys labb skapade nanotrådsfilmer av koppar som kan avsättas från en vätska i en fasta, billig beläggningsprocess. Dessa ledande filmer är mycket mer flexibla än den nuvarande ITO-filmen. Koppar är också ett tusen gånger mer rikligt och hundra gånger billigare än indium. Ett problem med nanotrådsfilmer av koppar, dock, är att de har en orange nyans som inte skulle vara önskvärt i en bildskärm. De kopparbaserade filmerna oxiderar också gradvis när de utsätts för luft, lider av samma kemiska reaktion som gör Frihetsgudinnan eller en gammal krona grön, sa Wiley.
Nickel, dock, blir sällan grön. Inspirerad av den amerikanska femcentsverken, Wiley undrade om han kunde förhindra oxidation av kopparnanotrådarna genom att tillsätta nickel. Han och hans doktorand, Aaron Rathmell, utvecklat en metod för att blanda in nickel i kopparnanotrådarna genom att värma dem i en nickelsaltlösning.
"Inom några minuter, nanotrådarna blir mycket mer grå till färgen, " sa Wiley.
Rathmell och Wiley bakade sedan de nya nanotrådarna vid olika temperaturer för att testa hur länge de ledde elektricitet och stod emot oxidation. Testerna visar att nanotrådsfilmerna av koppar och nickel skulle behöva sitta i luft i rumstemperatur i 400 år innan de förlorade 50 procent av sin elektriska ledningsförmåga. Silver nanotrådar skulle förlora hälften av sin ledningsförmåga på 36 månader under samma förhållanden. Vanliga nanotrådar av koppar skulle bara hålla i 3 månader.
Medan koppar-nickel nanotrådarna staplas mot silver och enbart koppar, de kommer inte att ersätta indium-tennoxid i platta bildskärmar inom kort, Wiley sa, förklarar det, för filmer med liknande transparens, koppar-nickel nanotrådsfilmer kan ännu inte leda samma mängd elektricitet som ITO. "Istället, vi fokuserar för närvarande på applikationer dit ITO inte kan gå, som tryckt elektronik, " han sa.
Den större stabiliteten hos koppar-nickel nanotrådar gör dem till ett bättre alternativ till både koppar och silver för applikationer som kräver en stabil nivå av elektrisk ledningsförmåga i mer än några år, vilket är viktigt för vissa tryckta elektroniktillämpningar, sa Wiley.
Han förklarade att tryckt elektronik kombinerar ledande eller elektroniskt aktiva bläck med de tryckprocesser som gör tidskrifter, konsumentförpackningar och kläddesign. Den låga kostnaden och höga hastigheten för dessa utskriftsprocesser gör dem attraktiva för produktion av solceller, lysdioder, plastförpackningar och kläder.
