En smartphone-pekskärm är ett imponerande stycke teknik. Den visar information och svarar på en användares beröring. Men som många vet, det är lätt att bryta nyckelelementen i det transparenta, elektriskt ledande lager som utgör även den mest robusta styva pekskärmen. Om flexibla smartphones, e-paper och en ny generation smarta klockor kommer att lyckas, de kan inte använda befintlig pekskärmsteknik.

Vi måste uppfinna något nytt – något flexibelt och hållbart, förutom att vara tydlig, lättvikt, elektriskt känslig och billig. Många forskare söker efter potentiella alternativ. Som forskare vid University of California, Riverside, Jag ingår i en forskargrupp som arbetar för att lösa denna utmaning genom att väva maskskikt ur mikroskopiska metallsträngar - bygga det vi kallar metallnanotrådnätverk.

Dessa kan utgöra nyckelkomponenter i nya displaysystem; de skulle också kunna göra befintliga smartphones pekskärmar ännu snabbare och enklare att använda.

Problemet med indiumtennoxid

En vanlig smartphone-pekskärm har glas på utsidan, ovanpå två lager av ledande material som kallas indiumtennoxid. Dessa lager är mycket tunna, genomskinlig för ljus och leder små mängder elektrisk ström. Displayen ligger under.

När en person rör vid skärmen, trycket från deras finger böjer glaset mycket lätt, trycker de två lagren av indiumtennoxid närmare varandra. På resistiva pekskärmar, som ändrar skiktens elektriska resistans; i kapacitiva pekskärmar, trycket skapar en elektrisk krets.

Indiumtennoxid är mycket ledande, få pekskärmar att svara på en användares beröring med blixtsnabba hastigheter. Men det är också väldigt skört, vilket gör det olämpligt för mer flexibla skärmar. Dessutom, det finns inte tillräckligt med indium, framställs till stor del genom raffinering av zink och blymalm, för att möta den ständigt ökande efterfrågan.

Potentiella ersättare

Varje ersättning för indiumtennoxid måste vara transparent – ​​annars, det skulle inte vara någon idé att använda den för en skärm. Den måste också leda elektricitet bra. Några potentiella ersättningar för detta indiumtennoxidskikt inkluderar kolnanorör, grafen och ledande polymerer

Men var och en av dem har sina problem. Kolnanorör har vanligtvis högt elektriskt motstånd när de kommer i kontakt med varandra så de fungerar inte bra som maskor.

Grafen skulle vara utmärkt - det är mycket ledande, flexibel och transparent. Dock, det finns ännu inte en industriell process för att producera tillräckligt med grafen för att möta efterfrågan. Konduktiva polymerer formas lätt till olika former och är tillräckligt ledande för att användas i vissa solceller och LED-baserade enheter, men deras tendens att absorbera ljus betyder att de ännu inte är tillräckligt bra för att användas som en fullt konkurrenskraftig ersättning för indiumtennoxid.

Utforskar metallnanotrådnätverk

En lovande ersättning för indiumtennoxid kan vara nanotrådsnät av metall. De är gjorda av individuella silver- eller koppartrådar, tiotals till hundratals nanometer i diameter, sammanvävda i ett sammankopplat nät. Det är genomskinligt på samma sätt som en skärmdörr - de enskilda delarna av nätet är så små att de inte skymmer helhetssynen.

Silver nanotrådar kan framställas i lösning genom en kemisk reaktion mellan silvernitrat och etylenglykol vid hög temperatur. När lösningen sprids över baksidan av en pekskärm (gjord av ett isolerande material som glas eller flexibel plast), vätskan torkar och nanotrådarna bildar förbindelser med varandra, skapa nätet.

Att producera enheter med silver nanotrådar har flera fördelar jämfört med den nuvarande standarden, Indiumtennoxid. Silver är 50 gånger mer ledande och kan användas i en större mängd olika enheter. Att tillverka silver nanotrådsenheter förväntas också bli billigare.

Andra fördelar är uppenbara när man jämför tillverkningsmetoder. Indiumtennoxid appliceras på en pekskärmsyta i en industriell process som kallas "sputtering, " vilket innebär att effektivt förånga indiumtennoxiden, varav några landar på pekskärmen. Men upp till 70 procent av materialet hamnar på sputterkammarens väggar och måste tas bort innan det kan återanvändas. Och indiumtennoxid kan inte appliceras direkt på flexibla plastytor, eftersom förstoftning innebär mycket värme, vilket kommer att skeva plasten.

Däremot metall nanotrådar tillverkas i en lösning i det fria och kan sedan sprayas på ark av flexibelt material med en process som kallas roll to roll coating. Denna process har använts sedan 1980-talet för att tillverka komponenter till solpaneler.

Återstående utmaningar

Ingen är helt redo att ta med metall nanotrådnätverk till smartphonemarknaden. Silver och koppar korroderar när de utsätts för luft; forskare inklusive min labbgrupp och många andra försöker hitta sätt att belägga dem med ledande polymerer eller till och med andra metaller, för att skydda dem från luften utan att offra transparens eller ledningsförmåga.

Och en annan utmaning som återstår är hur man bäddar in metallnanotrådar mellan flexibla plastskivor. Men en dag, kanske inte långt kvar, vi kommer att kunna samla all denna forskning för att skapa fullt fungerande enheter med hjälp av nanotrådsnätverk av metall.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.