Onderzoekers van Stanford University hebben een elektrisch geleidende gel uitgevonden die snel en gemakkelijk te maken is. De gel kan geprint worden met een inkjet-techniek en levert ongekende elektrische prestaties.
Het materiaal is gemaakt door universitair docenten Zhenan Bao,Yi Cui en medewerkers van hun laboratia. Het is een soort van geleidende hydrogel, een ‘gelatinepudding’ die aanvoelt als biologisch weefsel, maar elektriciteit geleidt als een metaal of een halfgeleider.
Deze combinatie van eigenschappen belooft veel voor toepassing van het materiaal in biologische sensoren en energie-opslag van de toekomst. Tot op heden was het materiaal echter lastig te produceren.
Pudding printen
Bao en Cui maakten de gel door lange strengen van de organische stof aniline (aminobenzeen) te verbinden met phytisch zuur, wat van nature voorkomt in weefsels van planten. Het zuur kan wel tot zes polymeerketens tegelijk verbinden. Dit levert een uitgebreid netwerk van kruisverbindingen op.
"Er zijn al commercieel verkrijgbare geleidende polymeren op de markt," aldus Bao, "maar die vormen allemaal een uniforme film, zonder enige nanostructuren."
De kruisverbindingen in de nieuwe gel geven het materiaal een complexe, sponsachtige structuur. De hydrogel heeft ontelbare kleine poriën die de oppervlakte van de gel enorm vergroten. Hierdoor kan het materiaal enorm veel lading vasthouden, chemicaliën detecteren en heeft een snelle elektrische geleiding.
Toch kan de gel makkelijk worden bewerkt. Dit omdat het materiaal pas in de laatste productiefase een solide gel wordt. Het kan geprint of gesproeid worden als een vloeistof en eenmaal op de juiste plek omgevormd worden tot een gelei. Zo kunnen ingewikkelde elektrodepatronen gemaakt worden tegen een lage kostprijs. "Je kunt geen pudding printen," aldus Cui, "maar met deze techniek kunnen we het printen, en er later pudding van maken."
Zachte elektrodes
De meeste hydrogels zitten samengebonden door een groot aantal isolerende moleculen, wat zorgt voor een slechte geleiding van elektriciteit. Phytisch zuur daarentegen geeft een lading aan verbonden polymeerketens, waardoor de hydrogel sterk geleidend wordt.
Dankzij de gelijkheid aan biologische weefsels, het grote oppervlak en de geleidende eigenschappen, is het materiaal zeer geschikt om biologische systemen te laten communiceren met technologische hardware. De onderzoekers zien toepassingen in allerlei gebieden, van medische instrumenten en biologische sensoren, tot aan brandstofcellen en condensatoren.
Het onderzoek verscheen recent in de publicatie ‘Proceedings of the National Academy of Sciences‘.