Medan pekskärmar är praktiska, beröringsfria skärmar skulle vara ännu mer så. Det är för att, trots att pekskärmar har gjort det möjligt för smartphonen att komma in i våra liv och vara avgörande för att vi ska kunna använda kontantautomater eller biljettautomater, de har vissa nackdelar. Pekskärmar lider av mekaniskt slitage över tid och är en överföringsväg för bakterier och virus. För att undvika dessa problem, forskare vid Stuttgarts Max Planck Institute for Solid State Research och LMU München har nu utvecklat nanostrukturer som förändrar deras elektriska och även deras optiska egenskaper så snart ett finger kommer någonstans nära dem.

En beröringsfri display kan kanske dra nytta av ett mänskligt drag som är av avgörande betydelse, även om det ibland är oönskat:Detta är det faktum att vår kropp svettas - och ständigt avger vattenmolekyler genom små porer i huden. Forskare från Nanochemistry -gruppen som leds av Bettina Lotsch vid Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart och LMU München har nu kunnat visualisera transpirationen av ett finger med en speciell fuktsensor som reagerar så snart som ett objekt - som en pekfingret - närmar sig ytan, utan att röra den. Den ökande luftfuktigheten omvandlas till en elektrisk signal eller översätts till en färgförändring, så att den kan mätas.

Fosfatantimonsyra är det som gör det möjligt för det. Denna syra är ett kristallint fast ämne vid rumstemperatur med en struktur bestående av antimon, fosfor, syre och väteatomer. "Det har länge varit känt för forskare att detta material kan ta upp vatten och sväller avsevärt under processen, "förklarade Pirmin Ganter, doktorand vid Max Planck Institute for Solid State Research och kemiavdelningen vid LMU München. Detta vattenupptag förändrar också materialets egenskaper. Till exempel, dess elektriska konduktivitet ökar när antalet lagrade vattenmolekyler stiger. Detta är vad som gör det möjligt att tjäna som ett mått på omgivande fukt.

En sandwich -nanomaterialstruktur utsatt för fukt ändrar också färg

Dock, forskarna är inte så intresserade av att utveckla en ny fuktsensor. Vad de verkligen vill är att använda den i beröringsfria skärmar. "Eftersom dessa sensorer reagerar på ett mycket lokalt sätt på varje ökning av fukt, det är ganska tänkbart att denna typ av material med fuktberoende egenskaper också kan användas för beröringsfria skärmar och bildskärmar, "sa Ganter. Beröringsfria skärmar av detta slag skulle inte kräva mer än ett finger för att komma nära skärmen för att ändra sina elektriska eller optiska egenskaper - och med dem insignalen - vid en viss punkt på displayen.

Med utgångspunkt i fosfatantimonat -nanoskikt, forskarna i Stuttgart utvecklade sedan en fotonisk nanostruktur som reagerar på fukten genom att ändra färg. "Om detta var inbyggt i en bildskärm, användarna skulle då få synlig feedback på sina fingerrörelser "förklarade Katalin Szendrei, också doktorand i Bettina Lotschs grupp. För detta ändamål, forskarna skapade ett smörgåsmaterial med flera lager med alternerande lager av ultratunna fosfatantimonat -nanoskikt och kiseldioxid (SiO2) eller titandioxid -nanopartiklar (TiO2). Består av mer än tio lager, stacken nådde slutligen en höjd av lite mer än en miljonedel av en meter.

För en sak, färgen på smörgåsmaterialet kan ställas in via tjockleken på skikten. Och för en annan, färgen på mackan ändras om forskarna ökar den relativa luftfuktigheten i materialets omedelbara omgivning, till exempel genom att flytta ett finger mot skärmen. "Anledningen till detta ligger i lagringen av vattenmolekyler mellan fosfatoantimonatskikten, vilket får lagren att svälla avsevärt, "förklarade Katalin Szendrei." En förändring i tjockleken på skikten i denna process åtföljs av en förändring i sensorns färg-producerad på ett liknande sätt som ger färg till en fjärilvinge eller i pärlemor. "

Materialet reagerar på luftfuktighetsförändringen inom några millisekunder

Detta är en egenskap som i grunden är välkänd och karakteristisk för så kallade fotoniska kristaller. Men forskare hade aldrig tidigare observerat en så stor färgförändring som de nu har gjort i labbet i Stuttgart. "Färgen på nanostrukturen blir från blå till röd när ett finger kommer nära, till exempel. På det här sättet, färgen kan justeras genom hela det synliga spektrumet beroende på mängden vattenånga som tas upp, "betonade Bettina Lotsch.

Forskarnas nya tillvägagångssätt är inte bara fängslande på grund av den slående färgförändringen. Vad som också är viktigt är det faktum att materialet reagerar på förändringen i luftfuktigheten inom några millisekunder - bokstavligen i ett ögonblick. Tidigare rapporterat material tog normalt flera sekunder eller mer att svara. Det är alldeles för långsamt för praktiska tillämpningar. Och det finns en annan sak som andra material inte alltid kunde göra:Smörgåsstrukturen som består av fosfatantimonat -nanoskikt och oxid -nanopartiklar är mycket stabil ur ett kemiskt perspektiv och reagerar selektivt på vattenånga.

Ett lager som skyddar mot kemiska påverkan måste släppa ut fukt

Forskarna kan tänka sig att deras material används i mycket mer än bara framtida generationer av smartphones, surfplattor eller anteckningsböcker. "I sista hand, vi kunde se att beröringsfria skärmar också distribuerades på många platser där människor för närvarande måste röra bildskärmar för att navigera, "sa Bettina Lotsch. Till exempel i kontantautomater eller biljettautomater, eller till och med på vågarna i stormarknadens grönsaksgång. Displayer på offentliga platser som används av många olika människor skulle ha tydliga hygienfördelar om de var beröringsfria.

Men innan vi ser dem användas på sådana platser, forskarna har några fler utmaningar att övervinna. Det är viktigt, till exempel, att nanostrukturerna kan produceras ekonomiskt. För att minimera slitage, strukturerna måste fortfarande beläggas med ett skyddande lager om de ska användas i något som en skärm. Och det, på nytt, måste uppfylla inte ett utan två olika krav:Det måste skydda de fuktkänsliga skikten mot kemiska och mekaniska påverkan. Och det måste, självklart, låt fukten passera. Men forskarna i Stuttgart har redan en idé om hur man ska uppnå det. En idé som de för närvarande börjar förverkliga med en ytterligare samarbetspartner ombord.