Elastische Elektronik Dehnbarer Leiter aus Gold

Polyurethan mit eingebetteten Gold-Nanopartikeln ist auch bei einer Dehnung um das Doppelte der ursprünglichen Länge noch leitfähig.
Polyurethan mit eingebetteten Gold-Nanopartikeln ist auch bei einer Dehnung um das Doppelte der ursprünglichen Länge noch leitfähig.

Sphärische Nanopartikel, eingebettet in ein elastisches Material, könnten den bisher besten dehnbaren Leiter bilden, das haben Forscher an der University of Michigan entdeckt.

Das Material ist auch noch dann ein guter Leiter, wenn, wenn es auf die doppelte Länge gestreckt wird. In Polyurethan eingebettete sphärische Gold-Nanopartikel übertreffen bisherige Versuche, die von in Zick-Zack-Muster oder spiralförmig aufgewickelten Kabeln über flüssige Metalle bis zu Netzen aus Nano-Leitern reichen, in Dehnbarkeit und Elektronenkonzentration.

Um herauszufinden, was bei der Dehnung im Material geschieht hat das Forscherteam von Nicholas Kotov mit einem Elektronenmikroskop Bilder bei unterschiedlich starker Dehnung aufgenommen. Die Nanopartikel sind anfangs verteilt, unter Spannung können sie jedoch winzige Lücken im Polyurethan durchqueren und sich in Ketten anordnen, die als Leitungskanäle dienen.

Das Team stellte zwei Versionen ihres Materials her. In einer Variante wechseln sich Lagen aus dehnbarem Material und Metall ab. Die andere Variante entsteht durch Filtern einer Flüssigkeit, die Polyurethan und Klumpen aus Nanopartikeln enthält. Dadurch bildet sich eine gemischte Schicht.

Die erste Variante ist leitfähiger, die Filtermethode bringt ein sehr dehnbares Material hervor. Nicht gedehnt hat das geschichtete Material mit fünf Goldlagen eine Leitfähigkeit von 11.000 S/cm, etwa so viel wie Quecksilber, während das gefilterte Material auf 1800 S/cm kommt, vergleichbar mit guten Leitern aus Kunststoff.

Beide bilden im gedehnten Zustand ein Geflecht aus, das an Blutgefäße erinnert. Es verschwindet, wenn sich die Zugkraft wieder verringert. Sogar nahe an der Zerreißgrenze, die bei etwas mehr als dem Doppelten der ursprünglichen Länge liegt, hat das geschichtete Material noch eine Leitfähigkeit von 2400 S/cm. Das gefilterte Material erreicht beim 5.8-fachen der ursprünglichen Länge, ein noch nie vorher erreichter Wert, eine Leitfähigkeit von 35 S/cm.

Biegsame oder aufrollbare Displays, medizinische Implantate, die sich mit dem Körper bewegen oder der Einsatz in Robotergelenken sind denkbare Einsatzmöglichkeiten von elastischer Elektronik.

Dank der Eigenschaft der Nanopartikel, Leitungskanäle auszuformen, könnten sich auch viele andere Materialien dehnen lassen. Das Forscherteam testet unterschiedliches Füllmaterial aus Nanopartikeln für dehnbare Elektronik, einschließlich günstigerer Metalle und Halbleiter.