Sebbene i touchscreen siano pratici, i display touchless lo sarebbero ancora di più. È perché, nonostante i touchscreen abbiano consentito l'ingresso dello smartphone nelle nostre vite e sia stato essenziale per noi poter utilizzare gli sportelli bancomat o le biglietterie automatiche, hanno alcuni svantaggi. I touchscreen soffrono di usura meccanica nel tempo e sono una via di trasmissione per batteri e virus. Per evitare questi problemi, gli scienziati del Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda e della LMU Munich hanno ora sviluppato nanostrutture che cambiano le loro proprietà elettriche e persino le loro proprietà ottiche non appena un dito si avvicina a loro.

Un display touchless può essere in grado di capitalizzare un tratto umano di vitale importanza, anche se a volte indesiderate:questo è il fatto che il nostro corpo suda ed emette costantemente molecole d'acqua attraverso i piccoli pori della pelle. Gli scienziati del gruppo di nanochimica guidato da Bettina Lotsch presso il Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda e la LMU di Monaco sono ora in grado di visualizzare la traspirazione di un dito con uno speciale sensore di umidità che reagisce non appena un oggetto - come un dito indice – si avvicina alla sua superficie, senza toccarlo. L'umidità in aumento viene convertita in un segnale elettrico o tradotta in un cambiamento di colore, permettendo così di essere misurato.

L'acido fosfatoantimonico è ciò che gli consente di fare questo. Questo acido è un solido cristallino a temperatura ambiente con una struttura costituita da antimonio, fosforo, atomi di ossigeno e idrogeno. "Gli scienziati sanno da tempo che questo materiale è in grado di assorbire acqua e si gonfia considerevolmente durante il processo, " ha spiegato Pirmin Ganter, studente di dottorato presso il Max Planck Institute for Solid State Research e il dipartimento di chimica della LMU di Monaco. Questo assorbimento di acqua modifica anche le proprietà del materiale. Ad esempio, la sua conduttività elettrica aumenta all'aumentare del numero di molecole d'acqua immagazzinate. Questo è ciò che gli consente di fungere da misura dell'umidità ambientale.

Anche una struttura di nanomateriali sandwich esposta all'umidità cambia colore

Però, gli scienziati non sono così interessati allo sviluppo di un nuovo sensore di umidità. Quello che vogliono davvero è usarlo nei display touchless. "Poiché questi sensori reagiscono in modo molto locale a qualsiasi aumento di umidità, è abbastanza plausibile che questo tipo di materiale con proprietà dipendenti dall'umidità possa essere utilizzato anche per display e monitor touchless, " ha affermato Ganter. Schermi touchless di questo tipo non richiederebbero altro che un dito per avvicinarsi al display per modificare le loro proprietà elettriche o ottiche - e con esse il segnale di ingresso - in un punto specifico del display.

Prendendo come base i nanosheet di fosfatoantimonato, gli scienziati di Stoccarda hanno poi sviluppato una nanostruttura fotonica che reagisce all'umidità cambiando colore. "Se questo fosse integrato in un monitor, gli utenti riceverebbero quindi un feedback visibile al movimento delle dita", ha spiegato Katalin Szendrei, anche dottoranda nel gruppo di Bettina Lotsch. A tal fine, gli scienziati hanno creato un materiale sandwich multistrato con strati alternati di nanofogli ultrasottili di fosfotoantimonato e nanoparticelle di biossido di silicio (SiO2) o biossido di titanio (TiO2). Composto da più di dieci strati, il faraglione raggiunse infine un'altezza di poco più di un milionesimo di metro.

Per una cosa, il colore del materiale sandwich può essere impostato tramite lo spessore degli strati. E per un altro, il colore del sandwich cambia se gli scienziati aumentano l'umidità relativa nelle immediate vicinanze del materiale, ad esempio muovendo un dito verso lo schermo. "La ragione di ciò risiede nell'immagazzinamento di molecole d'acqua tra gli strati di fosfatoantimonato, che fa gonfiare notevolmente gli strati, " ha spiegato Katalin Szendrei. "Un cambiamento nello spessore degli strati in questo processo è accompagnato da un cambiamento nel colore del sensore - prodotto in modo simile a quello che dà colore a un'ala di farfalla o in madreperla. "

Il materiale reagisce alla variazione di umidità entro pochi millisecondi

Questa è una proprietà fondamentalmente ben nota e caratteristica dei cosiddetti cristalli fotonici. Ma gli scienziati non avevano mai osservato un cambiamento di colore così grande come ora nel laboratorio di Stoccarda. "Il colore della nanostruttura passa dal blu al rosso quando un dito si avvicina, Per esempio. In questo modo, il colore può essere sintonizzato su tutto lo spettro visibile a seconda della quantità di vapore acqueo assorbito, "ha sottolineato Bettina Lotsch.

Il nuovo approccio degli scienziati non è solo accattivante per il sorprendente cambiamento di colore. Altrettanto importante è il fatto che il materiale reagisce alla variazione di umidità entro pochi millisecondi, letteralmente in un batter d'occhio. I materiali precedentemente segnalati normalmente impiegavano diversi secondi o più per rispondere. Questo è troppo lento per le applicazioni pratiche. E c'è un'altra cosa che altri materiali non potrebbero sempre fare:la struttura a sandwich costituita da nanofogli di fosfotoantimonato e nanoparticelle di ossido è altamente stabile da un punto di vista chimico e risponde selettivamente al vapore acqueo.

Uno strato protettivo contro le influenze chimiche deve lasciare passare l'umidità

Gli scienziati possono immaginare che i loro materiali vengano utilizzati in molto più che nelle future generazioni di smartphone, tablet o notebook. "In definitiva, potremmo vedere display touchless anche essere implementati in molti luoghi in cui le persone attualmente devono toccare i monitor per navigare, " ha detto Bettina Lotsch. Ad esempio negli sportelli automatici o nelle biglietterie automatiche, o anche alla bilancia nel reparto verdura del supermercato. I display in luoghi pubblici utilizzati da molte persone diverse avrebbero benefici igienici distinti se fossero senza contatto.

Ma prima di vederli usati in tali luoghi, gli scienziati hanno qualche altra sfida da superare. È importante, Per esempio, che le nanostrutture possono essere prodotte economicamente. Per ridurre al minimo l'usura, le strutture devono ancora essere rivestite con uno strato protettivo se verranno utilizzate in qualcosa come un display. E quello, ancora, deve soddisfare non uno ma due requisiti diversi:Deve proteggere gli strati sensibili all'umidità dagli influssi chimici e meccanici. E deve, Certo, lascia passare l'umidità. Ma gli scienziati di Stoccarda hanno già un'idea su come raggiungerlo. Un'idea che stanno attualmente iniziando a mettere in pratica con un ulteriore partner di cooperazione a bordo.