I ricercatori di Skoltech, MIPT e altrove hanno trovato un modo rapido ed economico per creare motivi geometrici nelle pellicole di nanotubi di carbonio. I film risultanti si sono rivelati dotati di proprietà superiori per la produzione di componenti per dispositivi di comunicazione 6G e dispositivi elettronici flessibili e trasparenti, come i dispositivi di monitoraggio della salute indossabili. Il metodo di modellazione è dettagliato in un articolo nel Chemical Engineering Journal .
Come altri materiali, i nanotubi di carbonio hanno più livelli di organizzazione. Giù a livello atomico, un nanotubo a parete singola può essere visualizzato come un foglio 2D di atomi di carbonio (grafene) arrotolato in un cilindro. Tali cilindri possono aderire tra loro, formando fibre più spesse.
Le fibre possono interconnettersi in una vasta rete 3D porosa, eventualmente rivestendo alcune superfici come uno strato sottile, una pellicola di nanotubi di carbonio. Puoi fare un ulteriore passo avanti e modificare la pellicola stessa, ad esempio rimuovendo parte del suo materiale e imponendovi così un motivo geometrico.
"Il nostro team ha trovato un modo molto efficiente per farlo e lo ha utilizzato per creare una pellicola di nanotubi di carbonio a forma di rete. Ciò veniva ottenuto letteralmente bruciando molti fori in una pellicola. L'idea è di rendere la pellicola più trasparente a livello il costo di una certa conduttività elettrica.
"Ci ritroviamo con un conduttore trasparente che può piegarsi, e questa è fondamentalmente la definizione di un elettrodo ottico per dispositivi elettronici flessibili e trasparenti, come i biosensori che monitorano la frequenza cardiaca, la respirazione e l'ossigenazione del sangue di chi lo indossa", ha spiegato il coautore Assistant. Ha affermato il professor Dmitry Krasnikov di Skoltech Photonics, aggiungendo che la struttura a rete può anche fungere da reticolo di diffrazione, un componente potenzialmente utile nella ricezione del segnale 6G.
A partire da ora, ci sono due metodi principali per produrre pellicole di nanotubi di carbonio modellati. Oppure si crea una pellicola continua e si bruciano dei buchi, sacrificando fino al 90% del materiale, il che chiaramente non è molto economico. Oppure è necessario utilizzare una litografia davvero raffinata per produrre da zero la pellicola con motivi.
Ma anche questo processo è piuttosto costoso e complesso, poiché prevede più passaggi e l'uso di soluzioni liquide, che tendono a contaminare la pellicola con impurità e a comprometterne le proprietà.
"Il nostro approccio presenta numerosi vantaggi", ha spiegato il ricercatore principale dello studio, il professor Albert Nasibulin della Skoltech Photonics. "È riproducibile, abbastanza veloce, economico e versatile. Non vengono utilizzate soluzioni liquide, il che rende il metodo più pulito e garantisce un'alta qualità. Infatti, il rapporto trasparenza-conduttività della rete, che è il suo principale merito in termini di come funzionano gli elettrodi ottici, è 12 volte migliore di quella di una pellicola continua.
"Per questo motivo, la nuova tecnica supera la litografia fine ed è alla pari con l'approccio relativamente dispendioso in cui si brucia (e si perde!) il materiale extra. Inoltre, possiamo creare anche modelli diversi dalle mesh."
Quindi, come funziona? Per prima cosa i ricercatori realizzano un modello in rame del modello, in questo caso una maglia quadrata, tagliandolo da un foglio di rame con un laser. Quindi prendono un filtro a membrana di nitrocellulosa, lo coprono con il modello e vi spruzzano sopra particelle di rame, creando di fatto uno schema complementare.
Se poi si depositano nanotubi di carbonio sul filtro, assumeranno lo schema a maglie previsto, perché il rame spruzzato li respinge. E poiché la pellicola modellata risultante non aderisce né al rame né alla nitrocellulosa, è facile trasferirla su un altro substrato semplicemente premendo un pezzo di gomma, vetro o altro materiale sul filtro.
Gli scienziati hanno testato le proprietà di diffrazione dei reticoli, preparati come maglie 2D su un sottile strato di materiale elastico (elastomero). Uno spettrometro terahertz ha registrato chiaramente i picchi di diffrazione familiari dalla parte di ottica di qualsiasi corso di fisica generale, solo che tali picchi sono stati osservati non nella luce visibile ma nella banda di frequenza THz, che corrisponde a lunghezze d'onda di circa 1 millimetro ed è intermedia tra la luce infrarossa e microonde.
I ricercatori hanno allungato il substrato elastico, variando così il periodo del reticolo, e hanno registrato gli spostamenti dei picchi di diffrazione associati in stretta conformità con le leggi ottiche note.
"La facilità, la semplicità e il costo relativamente basso della produzione di strutture basate su pellicole di nanotubi, combinati con l'efficiente metodo di spettroscopia THz quasi ottica (utilizzando un fascio di radiazioni THz incidente in spazio aperto) consentono vaste opportunità per la produzione e il test delle prestazioni di tutti i tipi di struttura bidimensionale basata su nanotubi, che potrebbero essere incorporati in vari dispositivi e componenti utilizzando la radiazione THz," ha commentato il coautore dello studio Boris Gorshunov, che dirige il laboratorio di spettroscopia Terahertz al MIPT.
Il team riporterà presto esperimenti simili con motivi geometrici diversi dalle maglie – cerchi concentrici e spirali – per l’imaging THz avanzato. Si riferisce a una tecnologia sicura e non invasiva per controlli di sicurezza ed esami medici che si basa sulle radiazioni nella banda tra le microonde e la luce infrarossa.
Ulteriori informazioni: Ilya V. Novikov et al, Modellazione rapida senza liquidi di film SWCNT per applicazioni elettroniche e ottiche, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.149733
Informazioni sul giornale: Giornale di ingegneria chimica
Fornito dall'Istituto di scienza e tecnologia Skolkovo
