Le reti di nanoparticelle sferiche incorporate in materiali elastici possono creare i migliori conduttori elastici finora, Lo hanno scoperto i ricercatori di ingegneria dell'Università del Michigan.

L'elettronica flessibile offre un'ampia varietà di possibilità, da display pieghevoli e batterie a impianti medici che si muovono con il corpo.

"Essenzialmente i nuovi materiali di nanoparticelle si comportano come metalli elastici, " ha detto Nicholas Kotov, il Professore di Ingegneria Joseph B. e Florence V. Cejka. "È solo l'inizio di una nuova famiglia di materiali che possono essere realizzati da un'ampia varietà di nanoparticelle per un'ampia gamma di applicazioni".

Trovare buoni conduttori che funzionano ancora quando tirati al doppio della loro lunghezza è un compito arduo:i ricercatori hanno provato fili in tortuosi motivi a zigzag o a molla, metalli liquidi, reti di nanofili e altro ancora. Il team è rimasto sorpreso dal fatto che le nanoparticelle d'oro sferiche incorporate nel poliuretano potessero competere con le migliori in termini di allungabilità e concentrazione di elettroni.

"Abbiamo scoperto che le nanoparticelle si allineano a forma di catena durante l'allungamento. Ciò può creare eccellenti percorsi di conduzione, " ha detto Yoonseob Kim, primo autore dello studio ad essere pubblicato in Natura il 18 luglio e uno studente laureato nel laboratorio Kotov in ingegneria chimica.

Per scoprire cosa è successo quando il materiale si è allungato, il team ha preso immagini al microscopio elettronico all'avanguardia dei materiali a varie tensioni. Le nanoparticelle sono iniziate disperse, ma sotto sforzo, potevano filtrare attraverso le minuscole fessure del poliuretano, collegandosi in catene come farebbero in una soluzione.

"Mentre ci allunghiamo, si riorganizzano per mantenere la conduttività, e questo è il motivo per cui abbiamo ottenuto la straordinaria combinazione di elasticità e conduttività elettrica, " ha detto Kotov.

Il team ha realizzato due versioni del loro materiale:costruendolo in strati alternati o filtrando un liquido contenente grumi di poliuretano e nanoparticelle per lasciare uno strato misto. Globale, il design del materiale strato per strato è più conduttivo mentre il metodo filtrato rende i materiali estremamente flessibili. Senza allungare, il materiale strato per strato con cinque strati d'oro ha una conduttanza di 11, 000 Siemens per centimetro (S/cm), alla pari del mercurio, mentre cinque strati del materiale filtrato sono arrivati ​​a 1, 800 S/cm, più simile a buoni conduttori di plastica.

l'inquietante, una rete di nanoparticelle simile a un vaso sanguigno è emersa in entrambi i materiali dopo l'allungamento ed è scomparsa quando i materiali si sono rilassati. Anche quando vicino al suo punto di rottura, a poco più del doppio della sua lunghezza originale, il materiale strato per strato ancora condotto a 2, 400 S/cm. Tirato a un inedito 5,8 volte la sua lunghezza originale, il materiale filtrato aveva una conduttanza elettrica di 35 S/cm, sufficiente per alcuni dispositivi.

Kotov e Kim vedono principalmente i loro conduttori estensibili come elettrodi. Gli impianti cerebrali sono di particolare interesse per Kotov.

"Possono alleviare molte malattie, ad esempio, grave depressione, morbo di Alzheimer e morbo di Parkinson, " ha detto. "Possono anche servire come parte di arti artificiali e altri dispositivi protesici controllati dal cervello".

Gli elettrodi rigidi creano tessuto cicatriziale che impedisce all'elettrodo di funzionare nel tempo, ma gli elettrodi che si muovono come il tessuto cerebrale potrebbero evitare di danneggiare le cellule, disse Kotov.

"L'elasticità è essenziale durante il processo di impianto e il funzionamento a lungo termine dell'impianto quando lo sforzo sul materiale può essere particolarmente grande, " Egli ha detto.

Sia nel cervello, cuore o altri organi, o utilizzati per misurazioni sulla pelle, questi elettrodi potrebbero essere flessibili come il tessuto circostante. Potrebbero anche essere utilizzati in display che possono arrotolarsi o nelle giunture di robot "morbidi" realistici.

Poiché la tendenza alla formazione di catene delle nanoparticelle è così universale, molti altri materiali potrebbero allungarsi, come i semiconduttori. Oltre a fungere da transistor flessibili per l'informatica, i semiconduttori elastici possono prolungare la vita delle batterie agli ioni di litio. Il team di Kotov sta esplorando vari riempitivi di nanoparticelle per l'elettronica estensibile, compresi metalli e semiconduttori meno costosi.

Kotov è un professore di ingegneria chimica, Ingegneria Biomedica, scienza e ingegneria dei materiali e scienza e ingegneria macromolecolare.