Los dispositivos electrónicos con pantallas táctiles son omnipresentes, y una pieza clave de la tecnología los hace posibles:conductores transparentes. Sin embargo, el costo y las limitaciones físicas del material del que suelen estar hechos estos conductores obstaculizan el avance hacia dispositivos de pantalla táctil flexibles.

Afortunadamente, una colaboración de investigación entre la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Duke ha mostrado una nueva forma de diseñar conductores transparentes utilizando nanocables metálicos que podrían permitir pantallas táctiles menos costosas y flexibles.

La investigación fue realizada por la estudiante graduada Rose Mutiso, Michelle Sherrott y la profesora Karen Winey, todo el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn. Colaboraron con el estudiante graduado Aaron Rathmell, y el profesor Benjamin Wiley del Departamento de Química de Duke.

Su estudio fue publicado en la revista ACS Nano .

El material estándar de la industria actual para hacer conductores transparentes es óxido de indio y estaño, o ITO, que se deposita como dos capas delgadas a cada lado de una película separadora. Contacto, en forma de la yema de un dedo o un lápiz, cambia la resistencia eléctrica entre las dos capas de ITO lo suficiente para que el dispositivo pueda registrar dónde está tocando el usuario. Si bien este material funciona bien, sus inconvenientes han llevado a investigadores industriales y académicos a buscar alternativas.

"Hay dos problemas con la ITO; el indio es relativamente raro, por lo que su costo y disponibilidad son erráticos, y, más importante para dispositivos flexibles, es quebradizo ", Dijo Winey." Nos gustaría crear pantallas táctiles que utilicen una red de nanocables flexibles, pero predecir y optimizar las propiedades de estas redes a nanoescala ha sido un desafío ".

Los nanocables metálicos son cada vez más baratos de fabricar y depositar; están suspendidos en un líquido y se pueden pintar o rociar fácilmente sobre un sustrato flexible o rígido, en lugar de cultivarse al vacío como es el caso de ITO. El desafío surge del hecho de que este proceso forma una red aleatoria, en lugar de una capa uniforme como ITO.

La calidad general de una hoja uniforme en este contexto depende solo de dos parámetros, Ambos pueden derivarse de forma fiable de las propiedades del material a granel:su transparencia, que debe ser alto, y su resistencia eléctrica general, que debería ser bajo. Para determinar las propiedades eléctricas de una red de nanocables, sin embargo, es necesario conocer la longitud y el diámetro de los nanocables, el área que cubren y una propiedad conocida como resistencia de contacto, que es la cantidad de resistencia que resulta de los electrones que viajan de un cable a otro. Los detalles de cómo estos cuatro parámetros independientes impactan las propiedades eléctricas y ópticas de las redes de nanocables no han sido claros.

"Lo que esto significa es que la gente sintetizará nanocables, depositarlos en una red, medir la resistencia eléctrica general y las propiedades ópticas de la red y luego reclamar la victoria cuando obtienen una buena, ", Dijo Winey." El problema es que no saben por qué los buenos son buenos, y, peor, no necesariamente saben por qué los malos son malos ".

Por ejemplo, la baja resistencia general podría ser el resultado de un método de síntesis particular que produjo unos pocos nanocables inesperadamente largos, o un método de procesamiento que redujo la resistencia de contacto entre nanocables. Sin una forma de aislar estos factores, los investigadores no pueden determinar qué combinación de parámetros tendrá más éxito.

El grupo de Winey ha trabajado anteriormente en la simulación de redes de nanocables en nanocompuestos tridimensionales, en particular, la cantidad de nanocables que se necesitan para garantizar que haya una ruta conectada de un extremo del sistema al otro. Wiley de Duke tomó nota de este trabajo y se puso en contacto con Winey, preguntándole si estaría interesada en desarrollar simulaciones bidimensionales que pudieran aplicarse a datos de redes de nanocables de plata que su grupo había fabricado.

Con el grupo de Wiley capaz de proporcionar la longitud del nanocable, diámetro y fracción de área de sus redes, El equipo de Winey pudo usar la simulación para trabajar hacia atrás desde la resistencia eléctrica general de la red para descubrir la esquiva resistencia de contacto. Los métodos alternativos para encontrar la resistencia de contacto son laboriosos e incompatibles con los métodos típicos de procesamiento de red.

"Una vez que tengamos resistencias de contacto confiables y relevantes, podemos empezar a preguntarnos cómo podemos mejorar la resistencia general de la hoja cambiando las otras variables, "Dijo Mutiso." Al jugar con esta simulación, podemos ver cuánto mejoran nuestras redes cuando aumentamos la longitud de los nanocables, por ejemplo."

La simulación del equipo de Penn proporciona más evidencia del papel de cada variable en el rendimiento general de la red, ayudando a los investigadores a encontrar el equilibrio correcto de rasgos para aplicaciones específicas. Incrementar el área de cobertura de los nanocables, por ejemplo, siempre disminuye la resistencia eléctrica general, pero también disminuye la transparencia óptica; a medida que se apilan más y más nanocables en las redes, aparecen grises, en lugar de transparente.

"Para aplicaciones específicas y diferentes tipos de nanocables, la fracción de área óptima será diferente, ", Dijo Winey." Esta simulación nos muestra cuántos nanocables necesitamos aplicar para llegar a la zona de Ricitos de Oro, donde se obtiene la mejor combinación de transparencia y resistencia ".

Las colaboraciones futuras entre el equipo de Winey en Penn y el grupo Wiley en Duke utilizarán esta simulación para probar el efecto de diferentes técnicas de procesamiento en nanocables. señalando el efecto que tienen varios métodos de procesamiento posterior a la deposición sobre la resistencia de contacto y, en última instancia, sobre la resistencia general de la hoja.

"Ahora podemos hacer comparaciones racionales entre diferentes cables, así como diferentes métodos de procesamiento para diferentes cables, para encontrar la resistencia de contacto más baja independientemente de la longitud del nanocable, fracción de diámetro y área, ", Dijo Winey." Ahora que sabemos dónde están todas las palancas, podemos empezar a ajustarlos de uno en uno ".

En la próxima generación de estudios de modelado, el equipo de Penn considerará varios parámetros adicionales que influyen en el rendimiento de las redes de nanocables para conductores transparentes, incluida la orientación de nanocables, para imitar redes de nanocables producidas por varios métodos de deposición continua, así como el grado en que los nanocables individuales varían en longitud o diámetro.