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Dehnbare Leiter: Goldnanopartikel für biegsame Elektronik

Dehnbares Leitermaterial

Forscher um Nicholas Kotov von der University of Michigan in Ann Arbor sind auf ein Verfahren gestoßen, mit dem sich eine Vielzahl leitfähiger Substrate für flexible Elektronikgeräte der Zukunft herstellen lassen könnten. Dazu betteten sie Goldnanopartikel in einen Träger aus Polyurethan ein. Das entstehende Material ist selbst dann noch leitfähig, wenn es auf das Vielfache seiner ursprünglichen Länge gedehnt wird.

Diese Eigenschaft verdankt das Material einem besonderen Verhalten der winzigen Teilchen: Wird es in die Länge gezogen, fließen sie durch mikroskopische Poren im Kunststoff zusammen und behalten so weiterhin Kontakt zueinander. Es bildet sich also, wie die Forscher erklären, von selbst ein Kabelnetz im Material. Lässt die Spannung nach, verschwindet es wieder.

Dehnbare Goldfolie | Goldnanopartikel in Polyurethan machen dieses Blättchen zu einem dehnbaren Leiter.

Laut Kotov und Kollegen hat der flexible Kunststoff derzeit im ungedehnten Zustand eine ähnliche Leitfähigkeit wie Quecksilber, auf doppelte Länge gedehnt sinkt sie allerdings erheblich. Im Fall der leitfähigeren Bauweise, bei der Schichten der beiden Ausgangsmaterialien aufeinander aufgebracht wurden, nahm sie von 11 000 Siemens pro Zentimeter (S/cm) auf 2400 S/cm ab. Die flexiblere Variante, für die die Forscher Polyurethan und Gold in einem Spezialverfahren zunächst vermischten, ließ sich bis auf das 5,8-Fache ihrer Ursprungslänge dehnen, hatte dann aber nur noch eine Leitfähigkeit von 35 S/cm – ein Bruchteil der anfänglichen 1800 S/cm.

Für ihren Werkstoff erhoffen sich die Wissenschaftler eine Zukunft in allerlei flexiblen Hightechgeräten. Dazu zählen nicht nur aufrollbare Displays oder Batterien, sondern beispielsweise auch Sensoren und Elektroden in der Medizin. Gerade implantierte Geräte müssen sich den Bewegungen des Körpers anpassen können, andernfalls kommt es schnell zu Narbenbildung.

Die Verwendung von Goldnanopartikeln sei erst der Anfang, schreiben die Forscher. Im Prinzip stünde der Verwendung anderer – billigerer oder auch halbleitender – Materialien nichts im Weg. Sie alle müssten sich ähnlich verhalten wie das Gold in ihrem Experiment.

Der Ansatz von Kotov und Kollegen ist allerdings mitnichten der erste Versuch zur Herstellung flexibler leitfähiger Materialien. Zuletzt machte beispielsweise eine hauchdünne, biegsame Elektronik Schlagzeilen, die sich wie ein Klebetattoo auf die Haut aufbringen lässt und dort Vitalfunktionen überwacht. Die Wissenschaftler hatten dazu Leiterbahnen serpentinenförmig auf einen Kunststoffträger aufgebracht. Die gewendelte Form macht die metallischen Leiter in gewissen Grenzen dehnbar.

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