Dagens nanoskalateknologier är sofistikerade nog att användas i ett oändligt antal användbara enheter, från sensorer i pekskärmsenheter och hushållsapparater till bärbara biosensorer som kan övervaka kemiska nivåer i vårt blod, muskelrörelser, andning och puls. Dessutom, det finns teknologier för precisionsanordningar som högupplösta skanningssondmikroskop som gör att man kan visualisera ytor inte bara på atomnivå, men även de enskilda atomerna själva.

Dessa anordningar använder typiskt elektroder som tillverkas genom att applicera tunna beläggningar av ledande material på glas eller keramiska substrat. Dock, dessa typer av elektroder är ömtåliga och saknar flexibilitet, och de kan involvera dyra och begränsade material såväl som svåra tillverkningsmetoder.

Ett alternativt material som får stor uppmärksamhet är silver nanotrådar; dessa trådar har mycket små diametrar (så små som en tusendels millimeter) och kan tillverkas i olika tvärsnittsformer och konfigurationer. De är också oöverträffade i ledningsförmåga, har överlägsen mekanisk styrka och flexibilitet och kan enkelt syntetiseras med lättillgängliga material. Dessa egenskaper och silvernanotrådarnas mångsidighet gör dem särskilt attraktiva inte bara för många vanliga elektroniska enheter utan för innovationer inom flexibel elektronik, som flexibla mobiltelefoner och surfplattor, billiga solpaneler eller solceller som kan tillverkas på tapeter eller kläder.

Silver nanotrådar har framgångsrikt använts som elektroder i olika elektroniska enheter; dock, deras kommersiella användning har hämmats av deras sårbarhet för de frätande effekterna av värme, ljus, och fukt. Sådan korrosion kan resultera i gropar och hål eller "etsning" på nanotrådens yta, som negativt påverkar deras elektriska, mekanisk, och optiska egenskaper. Etsning kan vara mycket skadligt för silvernanowire-baserad enhetsprestanda och kan till och med leda till att de misslyckas.

Tidigare försök har gjorts att tillverka skyddande skal runt silver nanotrådar. I ett försök, en tunn polymer avsattes på ett substrat som en nanotrådbarriär. Skyddande tunna metall- eller kolskal har också odlats på nanotrådarnas ytor. Detta ökade livslängden och prestanda för silver nanotrådar som används som genomskinliga elektroder; dock, skalytorna saknade den enhetliga jämnheten som behövs för mer högprecisionsenheter.

Forskare från Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) har framgångsrikt utvecklat en metod för att tillverka ultratunna skal runt silver nanotrådar, vilket resulterar i överlägsen stabilitet och effektivitet.

De valde först guld för sina skyddande skal på grund av dess motståndskraft mot värme, ljus, och fukt. Dess struktur liknar också silvers, vilket underlättar tillväxten av ultratunna lager av guld på silvernanotrådsytorna. Dock, det finns en varning:laddade guldatomer kan finnas som kan reagera med själva silvret, bildar hål eller porer, vilket skulle vara klart problematiskt. TIBI-teamet löste detta problem genom att välja en kemikalie att komplexbinda med de laddade guldatomerna; detta undertryckte effektivt porbildning.

Teamet utvecklade sedan en rumstemperatur, lösningsbaserad tillverkningsmetod som erbjöd enkel installation och okomplicerad, skalbara steg. Dessutom, deras metod möjliggjorde justering av reaktionstider och blandningar för att kontrollera tjockleken på de avsatta guldskikten.

De syntetiserade silver nanotrådar genom att kombinera lösningar och låta nanotrådarna växa och kristallisera. Guldlösningen, som innehöll experimentellt optimerade kemikalier för att eliminera etsning och för att underlätta en smidig avsättning av guldskikt, introducerades sedan. De optimerade också experimentella förhållanden för att förbättra nanotrådarnas kemiska stabilitet.

De resulterande silvernanotrådarna hade väldefinierade, tre nanometertjocka guldbeläggningar, med släta ytor, fri från etsning. De uppvisade också ett stabiliserande silver-guld-gränssnitt, vilket är absolut nödvändigt för att bevara nanotrådarnas optiska och elektriska egenskaper.

"Vi övervägde alla möjliga utmaningar i att designa en effektiv metod för att öka livslängden för silver nanotrådsbaserade enheter, " sa Yangzhi Zhu, Ph.D., första författare till projektet. "Vår data visar tydligt att vi kunde skapa effektiva lösningar på dessa utmaningar."

TIBI-teamet genomförde sedan experiment för att utvärdera de guldbelagda och obehandlade silvernanotrådarnas hållbarhet. När nanotrådar exponerades för luft; de obelagda silvernanotrådarna blev kraftigt skadade och försämrades efter tio dagar. De guldbelagda nanotrådarna förblev oförändrade även efter sex månader. Liknande resultat erhölls efter att båda nanotrådarna utsattes för de skadliga effekterna av väteperoxid och natriumbuffrad saltlösning.

I prestandatester av flexibla transparenta elektroder, båda nanotrådarna utsattes för hög värme och fuktighet; de icke-belagda nanotrådarna misslyckades efter 12 dagar, men de guldbelagda silvernanotrådarnas prestanda var jämförbara med topppresterande kommersiella nanotrådar.

I prestandatester på optiska enheter, de guldbelagda nanotrådarna visade hög prestanda efter 21 dagar. I kontrast, de obehandlade nanotrådarna i silver uppvisade minskad effektivitet inom en vecka och misslyckades så småningom. Vidare, testerna visade att inget ytterligare bakgrundsljud introducerades av guldskalen.

Inom samma tidsram, de guldbelagda nanotrådarna uppvisade överlägsna resultat när de testades i högupplöst scanningsprobmikroskopi, levererar orubbliga bilder av hög kvalitet. I kontrast, bildkvaliteten från de obehandlade nanotrådarna minskade gradvis tills enhetsfel inträffade. Detta är anmärkningsvärda prestationer, eftersom denna typ av mikroskopi innebär höga nivåer av mekanisk stress och nanotrådsstabilitet är avgörande.

"Det finns många fördelar med att använda silver nanotrådar i otaliga enheter, så förmågan att förbättra deras prestanda och hållbarhet skapar stor inverkan, sa Ali Khademhosseini, Ph.D., Direktör och VD för TIBI. "De metoder vi har utarbetat för att uppnå det exemplifierar kvaliteten på vårt instituts arbete."

Detaljer om forskningen publicerades i Nanoforskning .