Nätverk av sfäriska nanopartiklar inbäddade i elastiska material kan göra de bästa töjbara ledarna hittills, ingenjörsforskare vid University of Michigan har upptäckt.
Flexibel elektronik har en mängd olika möjligheter, från böjbara displayer och batterier till medicinska implantat som rör sig med kroppen.
"I huvudsak beter sig de nya nanopartikelmaterialen som elastiska metaller, sade Nicholas Kotov, Joseph B. och Florence V. Cejka professor i teknik. "Det är bara början på en ny familj av material som kan tillverkas av en mängd olika nanopartiklar för ett brett spektrum av applikationer."
Att hitta bra ledare som fortfarande fungerar när de dras till dubbelt så långa är en lång uppgift – forskare har provat ledningar i slingrande sicksack- eller fjäderliknande mönster, flytande metaller, nanowire-nätverk och mer. Teamet var förvånade över att sfäriska guldnanopartiklar inbäddade i polyuretan kunde konkurrera ut de bästa av dessa i sträckbarhet och koncentration av elektroner.
"Vi fann att nanopartiklar anpassade sig till kedjeform när de sträcktes. Det kan göra utmärkta ledningsvägar, sa Yoonseob Kim, första författare till studien som ska publiceras i Natur den 18 juli och en doktorand i Kotov-labbet i kemiteknik.
För att ta reda på vad som hände när materialet sträcktes, teamet tog toppmoderna elektronmikroskopbilder av materialen vid olika spänningar. Nanopartiklarna började spridda, men under ansträngning, de kunde filtrera genom de små luckorna i polyuretanet, kopplas i kedjor som de skulle göra i en lösning.
"När vi sträcker oss, de arrangerar om sig själva för att bibehålla konduktiviteten, och detta är anledningen till att vi fick den fantastiska kombinationen av töjbarhet och elektrisk ledningsförmåga, " sa Kotov.
Teamet gjorde två versioner av sitt material - genom att bygga det i omväxlande lager eller filtrera en vätska som innehåller polyuretan och nanopartikelklumpar för att lämna efter sig ett blandat lager. Övergripande, materialdesignen lager för lager är mer ledande medan den filtrerade metoden ger extremt smidiga material. Utan att sträcka sig, lager-för-lager-materialet med fem guldlager har en konduktans på 11, 000 Siemens per centimeter (S/cm), i paritet med kvicksilver, medan fem lager av det filtrerade materialet kom in vid 1, 800 S/cm, mer lik bra plastledare.
Det kusliga, blodkärlsliknande väv av nanopartiklar dök upp i båda materialen vid sträckning och försvann när materialen slappnade av. Även när den är nära bristningsgränsen, med lite mer än dubbelt så lång längd, skikt-för-skikt-materialet fortfarande leds vid 2, 400 S/cm. Dras till oöverträffade 5,8 gånger sin ursprungliga längd, det filtrerade materialet hade en elektrisk konduktans på 35 S/cm – tillräckligt för vissa enheter.
Kotov och Kim ser främst sina töjbara ledare som elektroder. Hjärnimplantat är av särskilt intresse för Kotov.
"De kan lindra många sjukdomar - till exempel, allvarlig depression, Alzheimers sjukdom och Parkinsons sjukdom, " sade han. "De kan också fungera som en del av konstgjorda lemmar och andra proteser som kontrolleras av hjärnan."
Stela elektroder skapar ärrvävnad som hindrar elektroden från att fungera över tid, men elektroder som rör sig som hjärnvävnad kan undvika att skada celler, sa Kotov.
"Töjbarheten är väsentlig under implantationsprocessen och långvarig drift av implantatet när belastningen på materialet kan vara särskilt stor, " han sa.
Oavsett om det är i hjärnan, hjärta eller andra organ – eller används för mätningar på huden – dessa elektroder kan vara lika böjliga som den omgivande vävnaden. De skulle också kunna användas i displayer som kan rullas upp eller i lederna på verklighetstrogna "mjuka" robotar.
Eftersom nanopartiklarnas kedjebildande tendens är så universell kan många andra material sträcka sig, såsom halvledare. Förutom att fungera som flexibla transistorer för datorer, elastiska halvledare kan förlänga livslängden för litiumjonbatterier. Kotovs team undersöker olika nanopartikelfyllmedel för töjbar elektronik, inklusive billigare metaller och halvledare.
Kotov är professor i kemiteknik, Biomedicinsk forskning, materialvetenskap och teknik och makromolekylär vetenskap och teknik.
