Naukowcy z Zhejiang Sci-Tech University oraz University of Science and Technology Beijing w Chinach zaprezentowali przewodzący tusz z miedzi do tworzenia giętkich obwodów elektronicznych, zapewniających połączenie nawet na zwykłym papierze. Metaliczna farba to następny krok w kierunku produkcji materiałów umożliwiających szybkie drukowanie ścieżek. Autorzy uważają, że nowy proces może przetrzeć szlaki dla elastycznych gadżetów – “ubieralnej” elektroniki, zwijanych w rulon tabletów i e-książek.
W ciągu ostatniej dekady, na rynku gadżetów elektronicznych sporo uwagi poświęcono opracowaniu cienkich jak papier, zwijanych wyświetlaczy oraz innych, równie futurystycznych urządzeń. Nie tak dawno informowaliśmy o tuszu na bazie grafenu, ubieralnej elektronice zasilanej światłem słonecznym oraz ubraniach ładujących telefony. Do tej pory, wiele technik nakładania warstw, m.in. drukowanie z aerozolu (z ang. aerosol jet printing), litografia lub druk strumieniowy (z ang. ink-jet printing) rozwijano w taki sposób, aby możliwe stało się fabrykowanie przewodzących, elastycznych scieżek. Niestety, na stosowane obecnie technologie składają się często skomplikowane, czasochłonne i kosztowne procesy przetwórcze. Dlatego, inżynierowie szczególną uwagę zwracają na metody jednoetapowego nadruku przewodzących wzorów na różnych podłożach. Najwyższy priorytet otrzymał tusz przenoszący ładunki elektryczne, który można nanosić bezpośrednio na papier. W odpowiedzi na elastyczne, organiczne materiały polimerowe oraz nanostruktury z metali szlachetnych (złota i srebra), badacze z Chin opracowali nanoproszek z miedzi, które ma być tanim, przewodzącym składnikiem elastycznych obwodów. Szczegółowe wyniki badań i pomiarów opublikowano w czasopiśmie ACS Applied Materials & Interfaces.
Pracownicy pod kierunkiem Wenjun Donga i Ge Wanga stworzyli nanopłatki miedzi pokryte nanocząsteczkami srebra. Źródłem miedzi był siarczan miedzi(II) – CuSO4, a reduktor stanowiła glukoza (C6H12O6) w obecności poliwinylopirolidonu (z ang. polyvinylpyrrolidone, PVP) – polarnej substancji wiążącej. Całość rozpuszczono w dejonizowanej wodzie, wymieszano i ogrzewano przez 3 godziny w autoklawie, w temperaturze 180°C. Brunatno-czerwony produkt zebrano, przemyto wodą, etanolem i suszono próżniowo w 60°C. Nanocząsteczki srebra pozyskano z rozcieńczonego roztworu AgNO3. Do przygotowania tuszu wykorzystano zdyspergowaną w metanolu karboksymetylocelulozę (z ang. carboxymethyl cellulose, CMC). Nanopłatki miedzi do roztworu CMC dodano w stosunku wagowym 3:100. Po zmieszaniu, gotowy atrament załadowano do pióra w celu przeprowadzenia testów. Naniesione ręcznie na zwykłym papierze schematy, składały się z linii, słów oraz obrazów. Po dołożeniu zasilania oraz podłączeniu do obwodu małych diód LED, naukowcy wykazali, że ścieżka znakomicie transportowała ładunki elektryczne. Diody świeciły nawet po przeprowadzeniu ponad 1000 cykli składania kartki (przewodnictwo utrzymywało się w zakresie od 80 do 90% pierwotnego).
Nanopłatki miedzi miały średnice od 30 do 100 mikrometrów przy kilkuset nanometrach grubości. Nanokryształy Cu samoistnie łączyły się wzdłuż kierunku krystalograficznego [111]. Płatki także zachodziły na siebie zwiększając powierzchnię kontaktu. Scalenie struktur oraz dodatek nanocząsteczek srebra wpływał korzystnie na przewodnictwo, także podczas wielokrotnego składania i rozkładania arkusza. Ponadto, analiza termograwimetryczna wykazała poprawę stabilności termicznej obwodów dzięki strukturom Ag, w wysokich temperaturach użytkowania (650°C). Nie zauważono pogorszenia przewodzenia ścieżek wystawionych na półroczne, utleniające działanie powietrza.
Inżynierowie mają nadzieję, że ich metoda posłuży do opracowania kolejnych rodzajów metalicznych atramentów przewodzących. Wszystko wskazuje na to, że za kilka lat powszechnym stanie się drukowanie lub rysowanie w pełni działających elastycznych obwodów.
Źródło:
[1] Rui Dang, Lingling Song, Wenjun Dong, Chaorong Li, Xiaobo Zhang, Ge Wang, Xiaobo Chen. Synthesis and Self-Assembly of Large-Area Cu Nanosheets and Their Application as an Aqueous Conductive Ink on Flexible Electronics. ACS Applied Materials & Interfaces, 2013; 131213124350002 DOI: 10.1021/am404708z
[2] http://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2014/acs-presspac-january-8-2014/metal-ink-could-ease-the-way-toward-flexible-electronic-books-displays.html [20.01.2014]
[3] http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/am404708z [20.01.2014]
[4] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/am404708z/suppl_file/am404708z_si_001.pdf [20.01.2014]
[5] Brown Ink, Italic Nib by Cody and Maureen (portmanteaus), flickr.com, CC BY 2.0