Gli ingegneri della UC Berkeley hanno dato un nuovo significato al termine "carta di lavoro". Utilizzando materiali poco costosi, hanno fabbricato interruttori e sensori elettronici pieghevoli direttamente su carta, insieme a generatori di prototipi, supercondensatori e altri dispositivi elettronici per una vasta gamma di applicazioni.

La ricerca per sviluppare l'elettronica cartacea ha subito un'accelerazione negli ultimi 10 anni. Oltre alla sua disponibilità e al basso costo, la carta offre un potenziale intrigante:semplicemente piegarla potrebbe accendere e spegnere i circuiti o cambiare in altro modo la loro attività, una sorta di origami elettronico.

Ma la maggior parte degli sforzi per fabbricare elettrodi su carta con conduttività sufficiente per l'uso pratico hanno impiegato metalli costosi come oro o argento come materiale conduttore, inondando il potenziale risparmio di carta come supporto.

Questa nuova tecnologia utilizza l'elemento economico molibdeno come fonte del metallo conduttore. Viene aggiunto alla gelatina in soluzione e si lega al carbonio nella gelatina. La carta viene quindi rivestita con la soluzione e asciugata. Un raggio laser "scrive" con precisione i modelli di circuiti desiderati, riscaldando il molibdeno a circa 1, 000 gradi centigradi e formando conduttori di carburo di molibdeno durevole.

I circuiti scritti al laser sono larghi circa 100 micron, circa il diametro di un capello umano. Tutte le parti non riscaldate della carta rimangono non conduttive. Il rivestimento in gelatina non solo fornisce il carbonio per il composto conduttivo, ma impedisce anche al raggio laser di bruciare la carta.

"Senza la gelatina, la carta si trasformerebbe in cenere, " dice Liwei Lin, professore di ingegneria meccanica e autore senior di un articolo sulla rivista Materiale avanzato segnalando la nuova tecnologia versatile.

Una "carta di lavoro" che fa il lavoro reale

Gli ingegneri prevedono un potenziale diffuso per il nuovo, elettronica cartacea usa e getta. Per esempio, i circuiti per rilevare la contaminazione da metalli pesanti potrebbero essere "scritti" su carta per monitorare economicamente le tossine.

Un sensore composto da più elettrodi integrati su un circuito di carta potrebbe rilevare livelli di piombo non sicuri in una goccia d'acqua o in una goccia di sangue di un paziente, dice Xining Zang (MS '14, dottorato di ricerca '17 ME), che ha guidato la ricerca come studente laureato in ingegneria meccanica a Berkeley nel laboratorio di Lin.

"Gli elettrodi avrebbero piccoli spazi tra di loro, e la presenza di metalli pesanti nel campione completerebbe il circuito, " spiega.

Zang, autore principale dell'articolo di giornale, ora è uno scienziato post-dottorato al MIT.

La nuova strategia dell'elettronica cartacea è emersa dalla ricerca di Lin su nuovi tipi di interruttori, generatori e batterie, e l'attenzione di Zang sui nuovi materiali, insieme a un interesse comune nel campo in crescita dell'applicazione degli origami alle applicazioni elettroniche e meccaniche.

"Molte persone hanno svolto ricerche sugli origami, formando diverse architetture e diverse forme per svolgere diverse funzioni, " dice Lin. "Il nostro lavoro fornisce un percorso versatile e facile per definire aree conduttive sulla carta. Ora abbiamo mostrato sia la praticità di scrivere modelli conduttivi versatili su carta, e la durata nel piegare la carta elettronica molte centinaia di volte per accendere e spegnere i circuiti."

Spera che le dimostrazioni possano attirare l'attenzione per l'uso in condensatori e batterie. Le batterie sono essenzialmente composte da elettrodi positivi e negativi separati da un piccolo spazio contenente un elettrolita. In una batteria di carta, lui dice, un elettrodo positivo e uno negativo potrebbero essere stampati ciascuno su carta in modo tale che piegando la carta si crei il piccolo spazio necessario tra di loro.

Zang ha portato la sua ricerca su origami e nuovi materiali a sostenere il progetto di elettronica cartacea. Vuole integrare componenti per la generazione di energia, stoccaggio e uso funzionale, come un sensore, tutto su un unico pezzo di carta.

"Un autonomo, sensore usa e getta potrebbe essere molto utile nei paesi in via di sviluppo dove portatili, strumenti di sanità pubblica immagazzinabili e poco costosi sono particolarmente richiesti, " lei dice.