En el marco de la búsqueda de una electrónica “inspirada en la piel” que sea suave y elástica, la ingeniera química de la Universidad de Stanford Zhenan Bao y su equipo de investigación han estado desarrollando una pantalla que cambie la actual paradigma de pantallas planas, rígidas y frágiles. 

Tras más de tres años de trabajo, el equipo ha logrado desarrollar una pantalla estirable y potencialmente remodelable. Los resultados de la investigación, publicados en Nature, muestran la estrategia de diseño de materiales y procesos de fabricación para lograr diodos emisores de luz a base de polímeros elásticos de alto brillo, eficientes y elásticos. 

Su invento se basa en el descubrimiento de un método para producir un polímero elástico emisor de luz de alta luminosidad, que funciona como el filamento de una bombilla. La pantalla resultante del grupo está hecha enteramente de polímeros elásticos, materiales plásticos sintéticos. El dispositivo tiene una luminosidad máxima al menos dos veces superior a la de un teléfono móvil y puede estirarse hasta el doble de su longitud original sin romperse.

“Las pantallas estirables pueden permitir una nueva forma de interfaz interactiva hombre-máquina. Podemos ver la imagen e interactuar con ella, y luego la pantalla puede cambiar según nuestra respuesta”, afirma Bao, profesor K. K. Lee de la Facultad de Ingeniería y autor principal del trabajo. 

Un ‘brillante’ descubrimiento

La mayoría de los polímeros emisores de luz son rígidos y se agrietan al estirarlos. Los científicos pueden aumentar su flexibilidad añadiendo materiales aislantes elásticos, como el caucho. Pero estos aditivos disminuyen la conductividad eléctrica, lo que obliga al polímero a utilizar un voltaje peligrosamente alto para generar incluso una luz tenue.

Sin embargo, hace unos tres años, el becario postdoctoral Zhitao Zhang y co-autor de esta estudio, descubrió que un polímero emisor de luz de color amarillo llamado SuperYellow no sólo se volvía blando y flexible, sino que emitía una luz más brillante cuando se mezclaba con un tipo de poliuretano, un plástico elástico.

“Si añadimos poliuretano, vemos que SuperYellow forma nanoestructuras. Estas nanoestructuras son realmente importantes. Hacen que el frágil polímero sea estirable y que el polímero emita una luz más brillante porque las nanoestructuras están conectadas como una red de pesca”, explica Zhang.

A diferencia de la adición de caucho, la red interconectada de fibras a nanoescala que hace que el SuperYellow sea estirable no inhibe el flujo de electricidad, que es la clave para desarrollar una pantalla brillante. Tras este descubrimiento, el grupo también creó polímeros elásticos emisores de luz roja, verde y azul

Apilar capas

Con los polímeros emisores de luz estirables ya disponibles, el grupo tenía que apilar el resto de los ingredientes de una pantalla electrónica.

“Fue todo un reto encontrar los materiales adecuados. Electrónicamente, tienen que coincidir entre sí para darnos una gran luminosidad. Pero también tienen que tener unas propiedades mecánicas igualmente buenas para que la pantalla sea estirable”, detalla Bao. 

Para ello, Zhitao tuvo que idear una forma de apilar las capas para que el proceso no degradará el brillo, resultando en una pantalla que contiene siete capas. Las dos capas exteriores son dos sustratos que encapsulan el dispositivo. Hacia el interior hay dos capas de electrodos, seguidas de capas de transporte de carga. Por último, la capa emisora de luz se sitúa en el centro.

Cuando la electricidad pasa por la pantalla, uno de los electrodos inyecta cargas positivas, llamadas huecos, en la capa emisora de luz, mientras que el otro inyecta electrones cargados negativamente en ella. Cuando los dos tipos de cargas se encuentran, se unen y pasan a un estado energéticamente excitado. Casi inmediatamente después, el estado vuelve a la normalidad produciendo un fotón, una partícula de luz.

La película de polímero resultante puede adherirse a un brazo o a un dedo y no se rompe al doblarse o flexionarse. Esto permitirá que por ejemplo diferentes tipos de Wearables puedan tener su pantalla directamente adherida a la piel.

Bao ve otros posibles usos de la pantalla estirable. Podría utilizarse para producir pantallas interactivas remodelables o incluso para formar paisajes tridimensionales en un mapa. “Imagínese una pantalla en la que pueda ver y sentir el objeto tridimensional en la misma. Seria una forma completamente nueva de interactuar a distancia”.

Fuente de imágenes: Stanford University

Imagen de portada: Zhitao Zhang y Jiancheng Lai de Bao Group Research Lab