Gli ingegneri dello stato dell'Iowa stanno sviluppando il mondo reale, applicazioni a basso costo per il grafene. Credito:Christopher Gannon/Iowa State University.
I ricercatori del laboratorio di Jonathan Claussen alla Iowa State University (che amano definirsi nanoingegneri) hanno cercato modi per utilizzare il grafene e le sue straordinarie proprietà nei loro sensori e in altre tecnologie.
Il grafene è un materiale meraviglioso:il nido d'ape di carbonio è spesso solo un atomo. È ottimo per condurre elettricità e calore; è forte e stabile. Ma i ricercatori hanno lottato per andare oltre i piccoli campioni di laboratorio per studiare le sue proprietà del materiale a pezzi più grandi per applicazioni del mondo reale.
Progetti recenti che hanno utilizzato stampanti a getto d'inchiostro per stampare circuiti ed elettrodi in grafene multistrato hanno fatto pensare agli ingegneri di utilizzarlo per elettronica indossabile e a basso costo. Per esempio, "Possiamo produrre grafene su scale abbastanza grandi per i sensori di glucosio?" chiese Suprem Das, un associato di ricerca post-dottorato dello Stato dell'Iowa in ingegneria meccanica e un associato dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Ma c'erano problemi con la tecnologia esistente. Una volta stampato, il grafene doveva essere trattato per migliorare la conduttività elettrica e le prestazioni del dispositivo. Di solito ciò significava temperature elevate o sostanze chimiche:entrambe potevano degradare superfici di stampa flessibili o usa e getta come pellicole di plastica o persino carta.
Das e Claussen hanno avuto l'idea di usare i laser per trattare il grafene. Claussen, un assistente professore di ingegneria meccanica dello Stato dell'Iowa e un associato di Ames Laboratory, ha lavorato con Gary Cheng, professore associato presso la School of Industrial Engineering della Purdue University, per sviluppare e testare l'idea.
E ha funzionato:hanno scoperto che il trattamento della stampa a getto d'inchiostro, circuiti elettrici ed elettrodi in grafene multistrato con processo a laser pulsato migliorano la conduttività elettrica senza danneggiare la carta, polimeri o altre superfici di stampa fragili.
"Questo crea un modo per commercializzare e aumentare la produzione di grafene, "Claussen ha detto.
I risultati sono riportati sulla copertina della rivista Nanoscala è il numero 35. Claussen e Cheng sono autori principali e Das è il primo autore. Altri coautori dello Iowa State sono Allison Cargill, John Hondred e Shaowei Ding, studenti laureati in ingegneria meccanica. Altri coautori di Purdue sono Qiong Nian e Mojib Saei, studenti laureati in ingegneria industriale.
Suprem Das tiene l'elettronica al grafene stampata su un foglio di carta. Das e Jonathan Claussen, Giusto, stanno usando i laser per trattare l'elettronica stampata del grafene. Il processo migliora la conduttività e consente flessibilità, elettronica indossabile e a basso costo. Credito:Christopher Gannon/Iowa State University
Due importanti sovvenzioni stanno sostenendo il progetto e la relativa ricerca:una sovvenzione triennale dell'Istituto nazionale per l'alimentazione e l'agricoltura, Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti, con il numero di premio 11901762 e una borsa di studio triennale del Roy J. Carver Charitable Trust. Anche il College of Engineering e il dipartimento di ingegneria meccanica dell'Iowa State stanno sostenendo la ricerca.
La Iowa State Research Foundation Inc. ha depositato un brevetto sulla tecnologia.
"La svolta di questo progetto sta trasformando il grafene stampato a getto d'inchiostro in un materiale conduttivo in grado di essere utilizzato in nuove applicazioni, "Claussen ha detto.
Tali applicazioni potrebbero includere sensori con applicazioni biologiche, sistemi di accumulo di energia, componenti conduttori di elettricità e persino l'elettronica cartacea.
Per rendere tutto ciò possibile, gli ingegneri hanno sviluppato una tecnologia laser controllata da computer che irradia selettivamente l'ossido di grafene stampato a getto d'inchiostro. Il trattamento rimuove i leganti dell'inchiostro e riduce l'ossido di grafene a grafene, unendo fisicamente milioni di minuscoli fiocchi di grafene. Il processo rende la conduttività elettrica più di mille volte migliore.
"Il laser funziona con un rapido impulso di fotoni ad alta energia che non distruggono il grafene o il substrato, " Das ha detto. "Scaldano localmente. Bombardano localmente. Elaborano localmente."
quella localizzata, la lavorazione laser modifica anche la forma e la struttura del grafene stampato da una superficie piana a una con superficie rialzata, Nanostrutture 3-D. Gli ingegneri dicono che le strutture 3D sono come minuscoli petali che emergono dalla superficie. La struttura ruvida e increspata aumenta la reattività elettrochimica del grafene, rendendolo utile per sensori chimici e biologici.
tutto questo, secondo il team di nanoingegneri di Claussen, potrebbe spostare il grafene in applicazioni commerciali.
"Questo lavoro apre la strada non solo all'elettronica cartacea con circuiti in grafene, " hanno scritto i ricercatori nel loro articolo, "consente la creazione di elettrodi elettrochimici a base di grafene a basso costo e monouso per una miriade di applicazioni tra cui sensori, biosensori, celle a combustibile e dispositivi (medici)."
