La prossima volta che effettui l'ordine del caffè, immagina di mettere sulla tua tazza da asporto un adesivo che funge da decalcomania elettronica, per farti conoscere la temperatura precisa del tuo latte senza schiuma triple-venti. un giorno, la stampa ad alta tecnologia che produce un tale adesivo potrebbe anche portarci imballaggi alimentari che mostrano un conto alla rovescia digitale per avvertire di prodotti avariati, o anche un riquadro della finestra che mostra le previsioni del giorno, sulla base delle misurazioni delle condizioni meteorologiche all'esterno.

Gli ingegneri del MIT hanno inventato un veloce, processo di stampa preciso che può rendere tali superfici elettroniche una realtà economica. In un articolo pubblicato oggi in Progressi scientifici , i ricercatori riferiscono di aver fabbricato un timbro realizzato con foreste di nanotubi di carbonio in grado di stampare inchiostri elettronici su superfici rigide e flessibili.

A. John Hart, il Mitsui Career Development Professore Associato in Tecnologia Contemporanea e Ingegneria Meccanica al MIT, afferma che il processo di stampaggio del team dovrebbe essere in grado di stampare transistor abbastanza piccoli da controllare i singoli pixel in display e touchscreen ad alta risoluzione. La nuova tecnica di stampa può anche offrire un prezzo relativamente economico, modo rapido per produrre superfici elettroniche per applicazioni ancora sconosciute.

"C'è un enorme bisogno di stampare dispositivi elettronici che siano estremamente economici ma forniscano calcoli semplici e funzioni interattive, " Afferma Hart. "Il nostro nuovo processo di stampa è una tecnologia abilitante per alte prestazioni, elettronica completamente stampata, compresi i transistor, superfici otticamente funzionali, e sensori onnipresenti."

Sanha Kim, un postdoc nei dipartimenti di ingegneria meccanica e ingegneria chimica del MIT, è l'autore principale, e Hart è l'autore senior. I loro coautori sono gli studenti laureati in ingegneria meccanica Hossein Sojoudi, Hangbo Zhao, e Dhanushkodi Mariappan; Gareth McKinley, la Scuola di Ingegneria Docente di Didattica dell'Innovazione; e Karen Gleason, professore di ingegneria chimica e rettore associato del MIT.

Un francobollo da minuscole penne d'oca

Negli ultimi anni ci sono stati altri tentativi di stampare superfici elettroniche utilizzando tecniche di stampa a getto d'inchiostro e stampaggio su gomma, ma con risultati sfocati. Poiché tali tecniche sono difficili da controllare su scale molto piccole, tendono a produrre motivi ad "anello di caffè" in cui l'inchiostro fuoriesce dai bordi, o stampe irregolari che possono portare a circuiti incompleti.

"Esistono limitazioni critiche ai processi di stampa esistenti nel controllo che hanno sulla dimensione delle caratteristiche e sullo spessore dello strato che viene stampato, " Afferma Hart. "Per qualcosa come un transistor o una pellicola sottile con particolari proprietà elettriche o ottiche, queste caratteristiche sono molto importanti."

Hart e il suo team hanno cercato di stampare l'elettronica in modo molto più preciso, progettando timbri "nanoporosi". (Immagina un francobollo più spugnoso della gomma e ridotto alle dimensioni di un'unghia mignolo, con caratteristiche modellate che sono molto più piccole della larghezza di un capello umano.) Hanno pensato che il timbro dovesse essere poroso, per consentire una soluzione di nanoparticelle, o "inchiostro, " per fluire uniformemente attraverso il timbro e su qualsiasi superficie da stampare. Progettato in questo modo, il timbro dovrebbe raggiungere una risoluzione molto più elevata rispetto alla stampa convenzionale del timbro di gomma, denominata flessografia.

Kim e Hart hanno trovato il materiale perfetto per creare il loro timbro altamente dettagliato:nanotubi di carbonio, resistenti, fogli microscopici di atomi di carbonio, disposti in cilindri. Il gruppo di Hart si è specializzato nella coltivazione di foreste di nanotubi allineati verticalmente in modelli attentamente controllati che possono essere ingegnerizzati in timbri altamente dettagliati.

"È un po' fortuito che la soluzione per la stampa ad alta risoluzione dell'elettronica sfrutti il ​​nostro background nella produzione di nanotubi di carbonio per molti anni, " Hart dice. "Le foreste di nanotubi di carbonio possono trasferire l'inchiostro su una superficie come un numero enorme di minuscole penne".

Circuiti di stampa, rotolo dopo rotolo

Per fare i loro francobolli, i ricercatori hanno utilizzato le tecniche precedentemente sviluppate dal gruppo per far crescere i nanotubi di carbonio su una superficie di silicio in vari modelli, compresi esagoni a nido d'ape e disegni a forma di fiore. Hanno rivestito i nanotubi con un sottile strato di polimero (sviluppato dal gruppo di Gleason) per garantire che l'inchiostro penetrasse in tutta la foresta di nanotubi e che i nanotubi non si restringessero dopo che l'inchiostro era stato stampato. Quindi hanno infuso il timbro con un piccolo volume di inchiostro elettronico contenente nanoparticelle come argento, ossido di zinco, o punti quantici di semiconduttori.

La chiave per stampare in piccolo, preciso, modelli ad alta risoluzione è la quantità di pressione applicata per timbrare l'inchiostro. Il team ha sviluppato un modello per prevedere la quantità di forza necessaria per stampare uno strato uniforme di inchiostro su un substrato, data la rugosità sia del timbro che del supporto, e la concentrazione di nanoparticelle nell'inchiostro.

Per aumentare il processo, Mariappan costruì una macchina da stampa, compreso un rullo motorizzato, e attaccato ad esso vari substrati flessibili. I ricercatori hanno fissato ogni francobollo su una piattaforma attaccata a una molla, che usavano per controllare la forza usata per premere il timbro contro il substrato.

"Questo sarebbe un processo industriale continuo, dove avresti un timbro, e un rullo su cui avresti un supporto su cui vuoi stampare, come una bobina di pellicola di plastica o carta speciale per l'elettronica, " Hart dice. "Abbiamo trovato, limitato dal motore che abbiamo usato nel sistema di stampa, potremmo stampare a 200 millimetri al secondo, continuamente, che è già competitivo con i tassi delle tecnologie di stampa industriale. Questo, combinato con un miglioramento di dieci volte nella risoluzione di stampa che abbiamo dimostrato, è incoraggiante».

Dopo aver stampato modelli di inchiostro di vari disegni, il team ha testato la conduttività elettrica dei modelli stampati. Dopo la ricottura, o riscaldamento, i disegni dopo la timbratura, un passaggio comune nell'attivazione delle funzioni elettroniche, i motivi stampati erano davvero altamente conduttivi, e potrebbe servire, Per esempio, come elettrodi trasparenti ad alte prestazioni.

Andando avanti, Hart e il suo team intendono perseguire la possibilità di un'elettronica completamente stampata.

"Un altro entusiasmante passo successivo è l'integrazione delle nostre tecnologie di stampa con materiali 2D, come il grafene, che insieme potrebbero consentire nuovi, dispositivi elettronici e di conversione dell'energia ultrasottili, "Dice Hart.