Les réseaux de nanoparticules sphériques noyées dans des matériaux élastiques peuvent constituer les meilleurs conducteurs extensibles à ce jour, des chercheurs en génie de l'Université du Michigan ont découvert.

L'électronique flexible offre une grande variété de possibilités, des écrans et batteries pliables aux implants médicaux qui se déplacent avec le corps.

"Essentiellement, les nouveaux matériaux nanoparticulaires se comportent comme des métaux élastiques, " a déclaré Nicolas Kotov, le professeur d'ingénierie Joseph B. et Florence V. Cejka. "Ce n'est que le début d'une nouvelle famille de matériaux qui peuvent être fabriqués à partir d'une grande variété de nanoparticules pour un large éventail d'applications."

Trouver de bons conducteurs qui fonctionnent toujours lorsqu'ils sont tirés à deux fois leur longueur est un défi de taille - les chercheurs ont essayé des fils en zigzag tortueux ou en ressorts, métaux liquides, réseaux de nanofils et plus encore. L'équipe a été surprise que des nanoparticules d'or sphériques intégrées dans du polyuréthane puissent surpasser les meilleures d'entre elles en termes d'extensibilité et de concentration d'électrons.

"Nous avons découvert que les nanoparticules s'alignaient sous forme de chaîne lors de l'étirement. Cela peut constituer d'excellentes voies conductrices, " a déclaré Yoonseob Kim, premier auteur de l'étude à paraître dans La nature le 18 juillet et un étudiant diplômé du laboratoire Kotov en génie chimique.

Pour savoir ce qui s'est passé lorsque le matériau s'est étiré, l'équipe a pris des images au microscope électronique de pointe des matériaux à diverses tensions. Les nanoparticules sont parties dispersées, mais sous tension, ils pourraient filtrer à travers les minuscules interstices du polyuréthane, enchaînés comme ils le feraient dans une solution.

"Alors que nous nous étirons, ils se réarrangent pour maintenir la conductivité, et c'est la raison pour laquelle nous avons obtenu l'étonnante combinaison d'extensibilité et de conductivité électrique, ", a déclaré Kotov.

L'équipe a fabriqué deux versions de leur matériau, en le construisant en couches alternées ou en filtrant un liquide contenant du polyuréthane et des amas de nanoparticules pour laisser une couche mélangée. Globalement, la conception du matériau couche par couche est plus conductrice tandis que la méthode filtrée permet d'obtenir des matériaux extrêmement souples. Sans s'étirer, le matériau couche par couche à cinq couches d'or a une conductance de 11, 000 Siemens par centimètre (S/cm), à égalité avec le mercure, tandis que cinq couches du matériau filtré sont entrées à 1, 800 S/cm, plus proche de bons conducteurs en plastique.

L'étrange, Un réseau de nanoparticules ressemblant à un vaisseau sanguin a émergé dans les deux matériaux lors de l'étirement et a disparu lorsque les matériaux se sont détendus. Même près de son point de rupture, à un peu plus du double de sa longueur d'origine, le matériau couche par couche encore conduit en 2, 400 S/cm. Tiré à une longueur sans précédent de 5,8 fois sa longueur d'origine, le matériau filtré avait une conductance électrique de 35 S/cm, suffisante pour certains appareils.

Kotov et Kim voient principalement leurs conducteurs extensibles comme des électrodes. Les implants cérébraux intéressent particulièrement Kotov.

« Ils peuvent soulager de nombreuses maladies, par exemple, dépression sévère, la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson, ", a-t-il déclaré. "Ils peuvent également faire partie de membres artificiels et d'autres dispositifs prothétiques contrôlés par le cerveau."

Les électrodes rigides créent un tissu cicatriciel qui empêche l'électrode de fonctionner avec le temps, mais les électrodes qui bougent comme le tissu cérébral pourraient éviter d'endommager les cellules, dit Kotov.

"L'extensibilité est essentielle pendant le processus d'implantation et le fonctionnement à long terme de l'implant lorsque la contrainte sur le matériau peut être particulièrement importante, " il a dit.

Que ce soit dans le cerveau, cœur ou d'autres organes - ou utilisées pour des mesures sur la peau - ces électrodes pourraient être aussi souples que les tissus environnants. Ils pourraient également être utilisés dans des écrans pouvant s'enrouler ou dans les articulations de robots « mous » réalistes.

Parce que la tendance à la formation de chaînes des nanoparticules est si universelle que de nombreux autres matériaux pourraient s'étirer, comme les semi-conducteurs. En plus de servir de transistors flexibles pour l'informatique, les semi-conducteurs élastiques peuvent prolonger la durée de vie des batteries lithium-ion. L'équipe de Kotov explore diverses charges de nanoparticules pour l'électronique étirable, y compris les métaux et les semi-conducteurs moins chers.

Kotov est professeur de génie chimique, génie biomédical, science et ingénierie des matériaux et science et ingénierie macromoléculaires.