Gli inchiostri contenenti nanoparticelle metalliche sono tra i materiali conduttivi più comunemente usati per l'elettronica stampata. Gli strati a getto d'inchiostro dei materiali MNP consentono una flessibilità di progettazione senza precedenti, elaborazione rapida e stampa 3D di dispositivi elettronici funzionali come sensori, pannelli solari, display a LED, transistor e tessuti intelligenti.

La stampa 3D a getto d'inchiostro di metalli in genere forma un oggetto stampato solido tramite un processo in due fasi:evaporazione del solvente durante la stampa (pinning) e successivo consolidamento a bassa temperatura delle nanoparticelle (sinterizzazione). La bassa temperatura è importante poiché in molte applicazioni le nanoparticelle sono co-stampate con altri materiali organici funzionali/strutturali che sono sensibili alle temperature più elevate.

Però, gli strati prodotti dalla stampa a getto d'inchiostro di nanoparticelle metalliche hanno una conduttività elettrica diversa tra le direzioni orizzontale e verticale. Questo effetto è noto come anisotropia funzionale ed è un problema di vecchia data per la stampa 3D di dispositivi elettronici funzionali, impedendone l'utilizzo per applicazioni avanzate.

In precedenza si pensava che la ridotta conduttività verticale attraverso un dispositivo stampato fosse principalmente causata da problemi di forma e continuità fisica alle interfacce delle nanoparticelle costituenti (alla micro e nanoscala molto piccola). Però, I ricercatori di Nottingham hanno usato nanoparticelle d'argento per mostrare, per la prima volta, che è causato da residui chimici organici negli inchiostri.

Questi residui, che vengono aggiunti agli inchiostri per aiutare a stabilizzare i nanomateriali, portare alla formazione di basso conduttore, strati nanometrici molto sottili che interferiscono con la conduttività elettrica del campione stampato in direzione verticale.

Con una comprensione più chiara della distribuzione degli additivi organici residui all'interno degli strati stampati, i ricercatori sperano di continuare a definire nuove tecniche e sviluppare nuove formulazioni di inchiostro per superare l'anisotropia funzionale dell'elettronica stampata in 3D a getto d'inchiostro.

Autore principale, Ricercatore CfAM Dr. Gustavo Trindade, disse, "È noto che la conduttività delle nanoparticelle metalliche stampate a getto d'inchiostro dipende dalla temperatura di lavorazione ed è stata precedentemente attribuita ai cambiamenti nella forma e nella porosità delle nanoparticelle raggruppate, con il ruolo dei residui organici solo speculato."

"Questa nuova intuizione consente lo sviluppo di percorsi per superare l'anisotropia funzionale nelle nanoparticelle a getto d'inchiostro, e quindi migliorerà l'adozione di questa tecnologia potenzialmente trasformativa, rendendolo competitivo con la produzione convenzionale. Il nostro approccio è trasferibile ad altri inchiostri a base di nanomateriali inclusi quelli contenenti grafene e nanocristalli funzionalizzati, e consentirà lo sviluppo e lo sfruttamento di elettronica stampata sia in 2D che in 3D come sensori flessibili e indossabili, pannelli solari, display a LED, transistor e tessuti intelligenti."

Lo studio è stato condotto dal Center for Additive Manufacturing (CfAM), nell'ambito della sovvenzione del programma finanziata dall'EPSRC da £ 5,85 milioni, Abilitazione della produzione additiva di nuova generazione. Le loro scoperte sono pubblicate in un nuovo articolo "Lo stabilizzatore polimerico residuo provoca conduttività elettrica anisotropa durante la stampa a getto d'inchiostro di nanoparticelle metalliche" sulla rivista Nature Materiali di comunicazione.

I ricercatori hanno utilizzato la sensibilità chimica unica di uno strumento orbiSIMS 3D all'avanguardia di proprietà dell'Università di Nottingham. L'orbiSIMS di Nottingham, l'unico in un'università del Regno Unito, consente l'imaging chimico 3D senza etichette di materiali ad altissima risoluzione, rivelando intuizioni che hanno informato questo studio.