Nel semplice, metodo di modellazione del polimero ad alta risoluzione, un laser a infrarossi modella un'immagine generata al computer su un DVD rivestito con un film di nanofibre di polianilina conduttrici. Credito immagine:forte, et al. ©2011 Società Chimica Americana
(PhysOrg.com) -- L'elettronica organica – quella che coinvolge conduttori a base di carbonio invece del tradizionale rame o silicio – presenta una serie di vantaggi rispetto all'elettronica in metallo, compreso il loro peso leggero, flessibilità, maggiore efficienza, e costo inferiore. Ma una delle cose più grandi che li trattiene è la mancanza di un semplice, metodo a basso costo per modellare e stampare materiali organici. Ora in un nuovo studio, un team di ricercatori degli Stati Uniti e dell'Australia ha sviluppato una tecnica di modellazione in cui i polimeri conduttori possono essere stampati con un laser a infrarossi a basso costo su un normale CD o DVD utilizzando la tecnologia LightScribe disponibile in commercio.
Come R. Kaner dell'Università della California, Los Angeles, insieme a G. Wallace dell'Università di Wollongong, Australia, e coautori spiegano nel loro studio in un recente numero di Nano lettere , la tecnica di modellazione polimerica semplice ma efficiente potrebbe spingere molti attuali dispositivi organici proof-of-concept nella produzione su larga scala. Questi dispositivi includono diodi organici a emissione di luce, transistor organici a film sottile, e microattuatori organici.
LightScribe, che è stato sviluppato dagli ingegneri di Hewlett-Packard, utilizza il laser a infrarossi all'interno di un'unità CD/DVD per registrare i dati su un disco CD o DVD, nonché stampare etichette contenenti testo e immagini sulla superficie dei dischi. Per realizzare queste etichette, il laser pulsa su e giù per attivare chimicamente un rivestimento di colorante specializzato sulla superficie del disco.
Invece di stampare su questo rivestimento specializzato, qui i ricercatori hanno coperto il disco con un film di nanofibre di polianilina conduttiva, che possono poi essere direttamente stampati. Quando la luce del laser a infrarossi viene assorbita dalla polianilina nanostrutturata, si verifica un insolito effetto fototermico, in cui il polimero converte la maggior parte della sua luce assorbita in calore.
Il calore generato quindi "saldature laser, "o collegamenti incrociati, le catene molecolari e le fibre supramolecolari insieme per modificare la morfologia superficiale di una piccola area del polimero. Dopo il trattamento laser, l'area saldata del polimero cambia da una stuoia nanofibrosa aggrovigliata a una liscia, film continuo per reticolazione chimica. Poiché le nanofibre di polianilina sono scarsi conduttori di calore, il calore non si diffonde oltre le linee laser, con conseguente separazione ben definita tra le aree saldate e non saldate. La linea laser emessa dal laser a infrarossi nell'unità CD/DVD ha un diametro di circa 0,7-1 µm, consentendo una risoluzione e una precisione eccezionali.
Oltre all'alta risoluzione, il metodo di saldatura laser fornisce anche un alto grado di controllo sulla conduttività e sulle proprietà ottiche del polimero conduttore saldato, che non è possibile con i precedenti approcci alla modellazione polimerica. Le aree saldate dimostrano una significativa diminuzione della conduttività del film, che i ricercatori attribuiscono alla perdita di droganti e pi-coniugazione durante il processo di reticolazione. Mostrano come la stampa in scala di grigi può regolare la conduttività del polimero, con colori più chiari in scala di grigi che possiedono una maggiore conduttività. Con la possibilità di stampare colori in scala di grigi dal bianco al nero, i ricercatori potrebbero mettere a punto il film di nanofibre di polianilina da semiconduttore a isolante, che rappresenta una variazione di conducibilità di circa 7 ordini di grandezza.
Anche se l'idea di utilizzare un sistema commerciale di scrittura di etichette per stampare dispositivi elettronici organici sembra abbastanza semplice, Veronica Strong dell'Università della California, Los Angeles, ha spiegato che ciò non lo rende la prima scelta ovvia per un laboratorio di ricerca.
Per dimostrare l'alta risoluzione del metodo di patterning, i ricercatori hanno utilizzato il laser a infrarossi per modellare i loghi dell'UCLA e dell'Università di Wollongong sui dischi. Credito immagine:forte, et al. ©2011 Società Chimica Americana
“Ci sono diversi motivi per cui questa tecnica non è stata dimostrata prima, "ha detto PhysOrg.com . “Uno di questi motivi è che, quando abbiamo iniziato i nostri test iniziali, LightScribe esisteva da meno di sei anni. Ancora, ma ancora più importante, questo tipo di tecnologia non si trova tradizionalmente in un ambiente di laboratorio né sarebbe la prima cosa che viene in mente quando si testano le idee. La combinazione di questa tecnologia con polimeri conduttori avrebbe richiesto un gruppo di ricerca che fosse specificamente nel mercato per una nuova tecnica di modellazione e regolazione delle proprietà dei polimeri conduttori. Il nostro gruppo stava facendo esattamente questo quando l'idea è stata proposta per la prima volta; infatti, avevamo appena esaurito tutte le tecnologie laser tradizionalmente utilizzate in ambiente di laboratorio. Quindi, quando un collega ha suggerito un lettore DVD con tecnologia LightScribe, beh, dovevamo solo provarlo.”
Tra i suoi potenziali utilizzi, la nuova tecnica potrebbe portare ad applicazioni anche attraverso il doping. I ricercatori hanno scoperto che le aree saldate non rispondono più al doping/dedoping reversibile con acidi o basi, mentre le zone non saldate continuano ad essere interessate dal doping. Questa proprietà potrebbe essere particolarmente utile per modellare elettrodi ricaricabili per batterie o supercondensatori, che beneficiano del doping selettivo per consentire tassi di carica/scarica rapidi.
I ricercatori hanno anche dimostrato che il colore del polimero può essere controllato controllando determinate proprietà, come lo stato di ossidazione iniziale, l'intensità del laser, e l'entità della reticolazione. Anche, diversi derivati della polianilina assorbono la luce in modo diverso, che porta a ulteriori variazioni di colore.
Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di sviluppare ulteriormente questa idea fabbricando dispositivi elettronicamente attivi. Prevedono che la semplice tecnica di saldatura laser servirà come un passo importante verso la modellazione dell'elettronica organica basata su polimeri su larga scala. La tecnica potrebbe essere utilizzata per modellare una varietà di nanofibre polimeriche conduttrici oltre alla polianilina, e questi polimeri possono essere stampati su molti substrati diversi, compresa la carta. È possibile stampare praticamente qualsiasi motivo, e la stessa immagine può essere stampata ripetutamente sulla stessa pellicola per aumentare il contrasto. Senza la necessità di fotoresist, maschere, o trattamento di post-elaborazione come molte altre tecniche, il nuovo metodo offre un approccio a una fase che potrebbe avere implicazioni potenzialmente molto ampie.
“Attualmente, questa tecnica sarebbe particolarmente utile per la produzione di membrane conduttive migliori, microfluidica, e dispositivi elettronici completamente organici, " ha detto Forte. “La spinta intellettuale alla base di questo lavoro è stata quella di dimostrare che attualmente disponiamo degli strumenti necessari per rendere conveniente, dispositivi flessibili organici ed elettronicamente attivi. Speriamo di poter aiutare a guidare questo pensiero fuori dagli schemi sviluppando nuovi metodi che utilizzano le nostre idee per la produzione di dispositivi".
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