(Phys.org) —Utilizzando un inchiostro contenente minuscoli fiocchi di grafene, gli scienziati hanno modelli di grafene stampati a getto d'inchiostro che possono essere utilizzati per la stampa finemente dettagliata, elettrodi altamente conduttivi. Sebbene il grafene stampato a getto d'inchiostro sia stato precedentemente dimostrato, i modelli di grafene stampati nel nuovo studio sono circa 250 volte più conduttivi dei modelli precedenti. L'inchiostro al grafene stampato è anche altamente tollerante alle sollecitazioni di flessione, con la capacità di resistere alla piegatura con solo una leggera diminuzione della conduttività.

I ricercatori, Ethan B. Secor, et al., alla Northwestern University di Evanston, Illinois, hanno pubblicato il loro studio sui modelli di grafene per la stampa a getto d'inchiostro in un recente numero di Il Journal of Physical Chemistry Letters .

Come spiegano i ricercatori, la stampa a getto d'inchiostro è un metodo interessante per la stampa di componenti elettronici perché è a basso costo, può stampare grandi aree, e può stampare su supporti flessibili. I ricercatori hanno precedentemente utilizzato la stampa a getto d'inchiostro per fabbricare una varietà di componenti come transistor, celle solari, LED, e sensori. Però, la stampa di elettrodi altamente conduttivi è ancora una sfida a causa della necessità di una risoluzione molto fine. Recentemente, i ricercatori si sono rivolti al grafene per la sua elevata conduttività, stabilità chimica, e flessibilità intrinseca rispetto ad altri inchiostri, sperando che gli inchiostri a base di grafene possano essere utilizzati per stampare gli elettrodi.

Uno dei passaggi più importanti nella stampa con inchiostro al grafene è ottenere una grande quantità di grafene. Esistono diversi metodi per la produzione di massa di grafene, ma quello con i vantaggi per la stampa a getto d'inchiostro è l'esfoliazione, o la rottura, di altri materiali come la grafite o l'ossido di grafene ridotto (RGO) per produrre scaglie di grafene. Precedenti studi hanno dimostrato la stampa a getto d'inchiostro di fiocchi RGO esfoliati per elettrodi, sensori, e altre applicazioni. Però, le proprietà elettriche dei fiocchi RGO, che contengono carbonio, ossigeno, e atomi di idrogeno, sono inferiori alle proprietà dei fiocchi di grafene incontaminati, che contengono solo atomi di carbonio.

I metodi attualmente utilizzati per produrre grafene incontaminato attraverso l'esfoliazione hanno incontrato alcune sfide. Il processo richiede tipicamente solventi e tensioattivi che lasciano residui sul grafene, che ne diminuisce la conducibilità. Un altro problema è che, mentre piccoli fiocchi di grafene sono necessari per una stampa stabile, aumentano il numero di giunzioni fiocco-fiocco, che diminuisce anche la conduttività.

Nel nuovo studio, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo approccio che supera questi problemi. Il nuovo processo a temperatura ambiente utilizza l'etanolo come solvente e l'etilcellulosa come polimero stabilizzante, nessuno dei quali lascia un residuo. Questo metodo produce alte rese di una polvere nera con un contenuto di grafene del 15%, che è superiore alla maggior parte dei metodi precedenti. I fiocchi di grafene nella polvere hanno spessori di circa 2 nm e aree di circa 50 x 50 nm ² . Sebbene una dimensione del fiocco così piccola si traduca in numerose giunzioni fiocco-fiocco, il polimero stabilizzante etilcellulosa riduce la resistenza tra le scaglie meglio di altri tensioattivi.

I ricercatori hanno quindi disperso la polvere nera in un solvente per creare un inchiostro fluido che può essere utilizzato per la stampa. Hanno dimostrato la stampa a getto d'inchiostro con l'inchiostro a base di grafene e hanno scoperto che l'eccellente morfologia e conduttività dell'inchiostro ha consentito la stampa di modelli precisi adatti per la stampa di elettrodi. I ricercatori potrebbero anche stampare più strati di inchiostro mantenendo modelli uniformi, con ogni strato che aggiunge circa 14 nm allo spessore.

I ricercatori hanno valutato le proprietà meccaniche dell'inchiostro stampato stampando linee su substrati flessibili in poliimmide. Hanno scoperto che la conduttività dell'inchiostro è rimasta praticamente invariata anche a raggi di curvatura elevati inferiori a 1 mm, anche se il substrato ha cominciato a rompersi. Anche quando i ricercatori hanno piegato un substrato con caratteristiche stampate, l'inchiostro ha mostrato solo una diminuzione del 5% della conduttività che può essere probabilmente attribuita alla rottura del substrato piuttosto che al danneggiamento dell'inchiostro stesso. I test meccanici suggeriscono che in futuro gli inchiostri al grafene potrebbero essere utilizzati per creare dispositivi elettronici pieghevoli.

"Essenzialmente tutti i dispositivi e i circuiti elettronici richiedevano contatti e interconnessioni elettrici ad alta conduttività e alta risoluzione, " coautore Mark Hersam, un professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la Northwestern University, detto Phys.org . "Perciò, i nostri inchiostri al grafene hanno il potenziale per avere un impatto su un'ampia gamma di applicazioni, soprattutto elettronica stampata, elettronica flessibile, ed elettronica pieghevole. Esempi di applicazioni a valle per questi tipi di dispositivi elettronici includono smartphone, compresse, schermi piatti, e fotovoltaico”.

Nel futuro, i ricercatori intendono lavorare sull'applicazione del nuovo inchiostro al grafene a questo tipo di applicazioni.

"Finora, abbiamo raggiunto lo sviluppo e la caratterizzazione dell'inchiostro al grafene, " disse Hersam. "D'altra parte, la nostra ricerca futura si concentrerà sull'integrazione dei nostri inchiostri stampati al grafene in dispositivi e circuiti elettronici completamente fabbricati, comprese le applicazioni a valle elencate sopra. In questo modo, possiamo sfruttare appieno i nostri progressi fondamentali nella ricerca per la tecnologia del mondo reale".

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