Redes de nanopartículas esféricas incorporadas em materiais elásticos podem ser os melhores condutores elásticos ainda, pesquisadores de engenharia da Universidade de Michigan descobriram.

A eletrônica flexível tem uma ampla variedade de possibilidades, de telas dobráveis ​​e baterias a implantes médicos que se movem com o corpo.

"Essencialmente, os novos materiais de nanopartículas se comportam como metais elásticos, "disse Nicholas Kotov, o Joseph B. e Florence V. Cejka Professor de Engenharia. "É apenas o início de uma nova família de materiais que podem ser feitos a partir de uma grande variedade de nanopartículas para uma ampla gama de aplicações."

Encontrar bons condutores que ainda funcionam quando puxados para o dobro de seu comprimento é uma tarefa difícil - os pesquisadores tentaram fios em zigue-zague tortuoso ou padrões semelhantes a molas, metais líquidos, redes de nanofios e muito mais. A equipe ficou surpresa com o fato de que nanopartículas esféricas de ouro embutidas em poliuretano poderiam superar a competição entre elas em elasticidade e concentração de elétrons.

"Descobrimos que as nanopartículas se alinham em forma de cadeia durante o alongamento. Isso pode ser uma excelente via de condução, "disse Yoonseob Kim, primeiro autor do estudo a ser publicado em Natureza em 18 de julho e um estudante de graduação no laboratório Kotov em engenharia química.

Para descobrir o que aconteceu enquanto o material se esticava, a equipe obteve imagens de microscopia eletrônica de última geração dos materiais em várias tensões. As nanopartículas começaram dispersas, mas sob tensão, eles poderiam filtrar através das minúsculas lacunas no poliuretano, conectando em cadeias como fariam em uma solução.

"À medida que avançamos, eles se reorganizam para manter a condutividade, e esta é a razão pela qual obtivemos a incrível combinação de extensibilidade e condutividade elétrica, "Kotov disse.

A equipe fez duas versões de seu material - construindo-o em camadas alternadas ou filtrando um líquido contendo poliuretano e aglomerados de nanopartículas para deixar para trás uma camada mista. Geral, o design do material camada por camada é mais condutivo, enquanto o método filtrado torna os materiais extremamente flexíveis. Sem esticar, o material camada por camada com cinco camadas de ouro tem uma condutância de 11, 000 Siemens por centímetro (S / cm), no mesmo nível do mercúrio, enquanto cinco camadas do material filtrado vieram em 1, 800 S / cm, mais parecido com bons condutores de plástico.

O estranho, Uma teia de nanopartículas semelhantes a vasos sanguíneos emergiu em ambos os materiais após o alongamento e desapareceu quando os materiais relaxaram. Mesmo quando perto de seu ponto de ruptura, com um pouco mais do que o dobro do comprimento original, o material camada por camada ainda conduzido em 2, 400 S / cm. Puxado para 5,8 vezes seu comprimento original sem precedentes, o material filtrado tinha uma condutância elétrica de 35 S / cm - o suficiente para alguns dispositivos.

Kotov e Kim veem seus condutores extensíveis principalmente como eletrodos. Os implantes cerebrais são de particular interesse para Kotov.

"Eles podem aliviar muitas doenças, por exemplo, Depressão severa, Doença de Alzheimer e doença de Parkinson, "ele disse." Eles também podem servir como parte de membros artificiais e outros dispositivos protéticos controlados pelo cérebro. "

Eletrodos rígidos criam tecido cicatricial que impede o eletrodo de funcionar ao longo do tempo, mas os eletrodos que se movem como o tecido cerebral podem evitar danificar as células, Kotov disse.

"A elasticidade é essencial durante o processo de implantação e operação de longo prazo do implante quando a tensão no material pode ser particularmente grande, " ele disse.

Seja no cérebro, coração ou outros órgãos - ou usados ​​para medições na pele - esses eletrodos podem ser tão flexíveis quanto o tecido circundante. Eles também podem ser usados ​​em monitores que podem enrolar ou nas articulações de robôs "moles" semelhantes à vida.

Como a tendência de formação de cadeia das nanopartículas é tão universal que muitos outros materiais podem se esticar, como semicondutores. Além de servir como transistores flexíveis para computação, semicondutores elásticos podem estender a vida útil das baterias de íons de lítio. A equipe de Kotov está explorando vários preenchimentos de nanopartículas para eletrônicos extensíveis, incluindo metais e semicondutores menos caros.

Kotov é professor de engenharia química, Engenharia Biomédica, ciência e engenharia de materiais e ciência e engenharia macromolecular.