Las redes de nanopartículas esféricas incrustadas en materiales elásticos pueden ser los mejores conductores elásticos hasta ahora, investigadores de ingeniería de la Universidad de Michigan han descubierto.

La electrónica flexible tiene una amplia variedad de posibilidades, desde pantallas flexibles y baterías hasta implantes médicos que se mueven con el cuerpo.

"Esencialmente, los nuevos materiales de nanopartículas se comportan como metales elásticos, "dijo Nicholas Kotov, el Profesor de Ingeniería Joseph B. y Florence V. Cejka. "Es solo el comienzo de una nueva familia de materiales que se pueden fabricar a partir de una gran variedad de nanopartículas para una amplia gama de aplicaciones".

Encontrar buenos conductores que aún funcionen cuando se tira al doble de su longitud es una tarea difícil:los investigadores han probado cables en tortuosos patrones en zigzag o en forma de resorte, metales líquidos, redes de nanocables y más. El equipo se sorprendió de que las nanopartículas de oro esféricas incrustadas en poliuretano pudieran superar a las mejores en cuanto a capacidad de estiramiento y concentración de electrones.

"Descubrimos que las nanopartículas se alineaban en forma de cadena cuando se estiraban. Eso puede generar excelentes vías de conducción, "dijo Yoonseob Kim, primer autor del estudio que se publicará en Naturaleza el 18 de julio y un estudiante de posgrado en el laboratorio de Kotov en ingeniería química.

Para averiguar qué sucedió cuando el material se estiró, el equipo tomó imágenes de microscopio electrónico de última generación de los materiales en diversas tensiones. Las nanopartículas comenzaron dispersas, pero bajo tensión podrían filtrarse a través de los minúsculos huecos del poliuretano, conectando en cadenas como lo harían en una solución.

"Mientras nos estiramos, se reorganizan para mantener la conductividad, y esta es la razón por la que obtuvimos la asombrosa combinación de estirabilidad y conductividad eléctrica, "Dijo Kotov.

El equipo hizo dos versiones de su material:construyéndolo en capas alternas o filtrando un líquido que contiene poliuretano y grupos de nanopartículas para dejar una capa mixta. En general, el diseño de material capa por capa es más conductor, mientras que el método filtrado produce materiales extremadamente flexibles. Sin estirar, el material capa por capa con cinco capas de oro tiene una conductancia de 11, 000 Siemens por centímetro (S / cm), a la par con el mercurio, mientras que cinco capas del material filtrado llegaron a 1, 800 S / cm, más parecido a buenos conductores de plástico.

Lo misterioso Una red de nanopartículas similar a un vaso sanguíneo emergió en ambos materiales al estirarse y desapareció cuando los materiales se relajaron. Incluso cuando está cerca de su punto de ruptura, un poco más del doble de su longitud original, el material capa por capa todavía se conduce a 2, 400 S / cm. Tirado a una longitud sin precedentes de 5,8 veces su longitud original, el material filtrado tenía una conductancia eléctrica de 35 S / cm, suficiente para algunos dispositivos.

Kotov y Kim principalmente ven sus conductores extensibles como electrodos. Los implantes cerebrales son de especial interés para Kotov.

"Pueden aliviar muchas enfermedades, por ejemplo, depresión severa, Enfermedad de Alzheimer y enfermedad de Parkinson, ", dijo." También pueden servir como parte de miembros artificiales y otros dispositivos protésicos controlados por el cerebro ".

Los electrodos rígidos crean tejido cicatricial que evita que el electrodo funcione con el tiempo, pero los electrodos que se mueven como tejido cerebral podrían evitar dañar las células, Dijo Kotov.

"La capacidad de estiramiento es esencial durante el proceso de implantación y la operación a largo plazo del implante cuando la tensión sobre el material puede ser particularmente grande, " él dijo.

Ya sea en el cerebro corazón u otros órganos, o se utilizan para mediciones en la piel, estos electrodos pueden ser tan flexibles como el tejido circundante. También podrían usarse en pantallas que se pueden enrollar o en las articulaciones de robots "suaves" realistas.

Debido a que la tendencia a la formación de cadenas de las nanopartículas es tan universal que muchos otros materiales podrían estirarse, como semiconductores. Además de servir como transistores flexibles para la informática, Los semiconductores elásticos pueden prolongar la vida útil de las baterías de iones de litio. El equipo de Kotov está explorando varios rellenos de nanopartículas para electrónica estirable, incluidos metales y semiconductores menos costosos.

Kotov es profesor de ingeniería química, Ingeniería Biomédica, ciencia e ingeniería de materiales y ciencia e ingeniería macromolecular.