L'Università di Nottingham ha risolto l'enigma di come utilizzare gli inchiostri per stampare in 3D nuovi dispositivi elettronici con proprietà utili, come la capacità di convertire la luce in elettricità.

Lo studio mostra che è possibile spruzzare inchiostri, contenenti minuscole scaglie di materiali 2-D come il grafene, costruire e intrecciare i diversi strati di questi complessi, strutture personalizzate.

Utilizzando la modellazione quantistica meccanica, i ricercatori hanno anche individuato come gli elettroni si muovono attraverso gli strati di materiale 2-D, per capire completamente come i dispositivi innovativi possono essere modificati in futuro.

Coautore della carta, Professor Mark Fromhold, Il capo della Scuola di Fisica e Astronomia ha detto, "Collegando i concetti fondamentali della fisica quantistica con l'ingegneria all'avanguardia, abbiamo mostrato come è possibile realizzare dispositivi complessi per il controllo dell'elettricità e della luce stampando strati di materiale dello spessore di pochi atomi ma del diametro di centimetri.

"Secondo le leggi della meccanica quantistica, in cui gli elettroni agiscono come onde piuttosto che come particelle, abbiamo scoperto che gli elettroni nei materiali 2-D viaggiano lungo traiettorie complesse tra più fiocchi. Sembra che gli elettroni saltino da un fiocco all'altro come una rana che saltella tra le ninfee sovrapposte sulla superficie di uno stagno".

Lo studio, "Trasporto quantistico inter-flake di elettroni e fori in dispositivi di grafene stampati a getto d'inchiostro", è stato pubblicato sulla rivista peer-reviewed Materiali funzionali avanzati .

Spesso descritto come un "super materiale", il grafene è stato creato per la prima volta nel 2004. Presenta molte proprietà uniche tra cui essere più forte dell'acciaio, altamente flessibile e il miglior conduttore di elettricità mai realizzato.

I materiali bidimensionali come il grafene sono generalmente realizzati esfoliando in sequenza un singolo strato di atomi di carbonio, disposti in un foglio piatto, che vengono quindi utilizzati per produrre strutture su misura.

Però, producendo strati e combinandoli per rendere complessi, materiali a sandwich è stato difficile e di solito richiedeva un'accurata deposizione degli strati uno alla volta ea mano.

Dalla sua scoperta, c'è stata una crescita esponenziale del numero di brevetti che coinvolgono il grafene. Però, per sfruttarne appieno le potenzialità, devono essere sviluppate tecniche di produzione scalabili.

Il nuovo documento mostra che la produzione additiva, più comunemente nota come stampa 3D, che utilizza inchiostri, in cui sono sospesi minuscoli fiocchi di grafene (pochi miliardesimi di metro di diametro), fornisce una soluzione promettente.

Combinando tecniche di produzione avanzate per realizzare dispositivi con metodi sofisticati per misurare le loro proprietà e modellizzazione delle onde quantistiche, il team ha scoperto esattamente come il grafene stampato a getto d'inchiostro può sostituire con successo il grafene a strato singolo come materiale di contatto per i semiconduttori metallici 2-D.

Coautore, Dr. Lyudmila Turyanska del Centro per la produzione additiva, disse, "Mentre i livelli e i dispositivi 2D sono stati stampati in 3D prima, questa è la prima volta che qualcuno ha identificato come gli elettroni si muovono attraverso di loro e ha dimostrato potenziali usi per il combinato, strati stampati. I nostri risultati potrebbero portare a diverse applicazioni per compositi di grafene-polimero stampati a getto d'inchiostro e una gamma di altri materiali 2-D. I risultati potrebbero essere utilizzati per realizzare una nuova generazione di dispositivi optoelettronici funzionali; Per esempio, celle solari grandi ed efficienti; indossabile, elettronica flessibile alimentata dalla luce solare o dal movimento di chi la indossa; forse anche computer stampati."

Lo studio è stato condotto da ingegneri del Center for Additive Manufacturing e fisici della Scuola di Fisica e Astronomia con un interesse comune per le tecnologie quantistiche, nell'ambito della sovvenzione del programma finanziata dall'EPSRC da £ 5,85 milioni, Abilitazione della produzione additiva di nuova generazione.

I ricercatori hanno utilizzato una vasta gamma di tecniche di caratterizzazione, tra cui la spettroscopia micro-Raman (scansione laser), analisi della gravità termica, un nuovo strumento orbiSIMS 3-D e misurazioni elettriche, per fornire una comprensione strutturale e funzionale dettagliata dei polimeri di grafene stampati a getto d'inchiostro, e gli effetti del trattamento termico (ricottura) sulle prestazioni.

I prossimi passi per la ricerca sono controllare meglio la deposizione dei fiocchi utilizzando polimeri per influenzare il modo in cui si dispongono e allineano e provando diversi inchiostri con una gamma di dimensioni dei fiocchi. I ricercatori sperano anche di sviluppare simulazioni al computer più sofisticate dei materiali e del modo in cui lavorano insieme, sviluppando modi per produrre in serie i dispositivi che prototipano.