Un frasco de la nueva tinta de grafeno, que contiene escamas de grafeno de tamaño nanométrico. La tinta es altamente conductora y tiene una excelente morfología, permitiendo que se utilice para imprimir electrodos. Crédito:Ethan B. Secor, et al. © 2013 Sociedad Química Estadounidense
(Phys.org) —Utilizando una tinta que contiene pequeñas escamas de grafeno, Los científicos tienen patrones de grafeno impresos con inyección de tinta que se pueden utilizar para imprimir con detalles finos, electrodos de alta conductividad. Aunque el grafeno impreso por inyección de tinta se ha demostrado previamente, Los patrones de grafeno impresos en el nuevo estudio son aproximadamente 250 veces más conductores que los patrones anteriores. La tinta de grafeno impresa también es muy tolerante a las tensiones de flexión, con la capacidad de resistir el plegado con solo una ligera disminución de la conductividad.
Los investigadores, Ethan B. Secor, et al., en la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois, han publicado su estudio sobre patrones de grafeno de impresión por inyección de tinta en un número reciente de El diario de las letras de la química física .
Como explican los investigadores, La impresión de inyección de tinta es un método atractivo para imprimir componentes electrónicos porque es de bajo costo, puede imprimir grandes áreas, y puede imprimir en sustratos flexibles. Los investigadores han utilizado anteriormente la impresión de inyección de tinta para fabricar una variedad de componentes como transistores, células solares, LEDs, y sensores. Sin embargo, imprimir electrodos de alta conductividad sigue siendo un desafío debido al requisito de una resolución muy fina. Recientemente, los investigadores han recurrido al grafeno debido a su alta conductividad, estabilidad química, y flexibilidad intrínseca en comparación con otras tintas, con la esperanza de que las tintas a base de grafeno se puedan utilizar para imprimir electrodos.
Uno de los pasos más importantes en la impresión con tinta de grafeno es obtener una gran cantidad de grafeno. Existen varios métodos para producir grafeno en masa, pero la que presenta ventajas para la impresión por inyección de tinta es la exfoliación, o la ruptura, de otros materiales como el grafito o el óxido de grafeno reducido (RGO) para producir escamas de grafeno. Estudios anteriores han demostrado la impresión por inyección de tinta de escamas RGO exfoliadas para electrodos, sensores, y otras aplicaciones. Sin embargo, las propiedades eléctricas de las escamas RGO, que contienen carbono, oxígeno, y átomos de hidrógeno, son inferiores a las propiedades de las escamas de grafeno prístinas, que contienen solo átomos de carbono.
Los métodos que se utilizan actualmente para producir grafeno prístino a través de la exfoliación han encontrado algunos desafíos. El proceso normalmente requiere disolventes y tensioactivos que dejan residuos en el grafeno, lo que disminuye su conductividad. Otro problema es que mientras que las pequeñas escamas de grafeno son necesarias para una impresión estable, aumentan el número de uniones de escamas a escamas, que también disminuye la conductividad.
Un sustrato flexible impreso con tinta de grafeno en (arriba) el estado desplegado y (abajo) el estado plegado. El dispositivo se puede plegar con solo una ligera disminución de la conductividad. Crédito:Ethan B. Secor, et al. © 2013 Sociedad Química Estadounidense
En el nuevo estudio, los científicos desarrollaron un nuevo enfoque que supera estos problemas. El nuevo proceso a temperatura ambiente utiliza etanol como disolvente y etilcelulosa como polímero estabilizador. ninguno de los cuales deja un residuo. Este método produce altos rendimientos de un polvo negro con un contenido de grafeno del 15%, que es más alto que la mayoría de los métodos anteriores. Las escamas de grafeno en el polvo tienen espesores de aproximadamente 2 nm y áreas de aproximadamente 50 x 50 nm. 2 . Aunque un tamaño de escama tan pequeño da como resultado numerosas uniones de escama a escama, el polímero estabilizador de etilcelulosa reduce la resistencia entre escamas mejor que otros tensioactivos.
Luego, los investigadores dispersaron el polvo negro en un solvente para crear una tinta fluida que se puede usar para imprimir. Demostraron la impresión de inyección de tinta con la tinta a base de grafeno y descubrieron que la excelente morfología y conductividad de la tinta permitía la impresión de patrones precisos adecuados para la impresión de electrodos. Los investigadores también pudieron imprimir múltiples capas de tinta manteniendo patrones uniformes, con cada capa agregando aproximadamente 14 nm al espesor.
Los investigadores evaluaron las propiedades mecánicas de la tinta impresa imprimiendo líneas sobre sustratos flexibles de poliimida. Descubrieron que la conductividad de la tinta se mantuvo prácticamente sin cambios incluso con radios de curvatura altos de menos de 1 mm, a pesar de que el sustrato comenzó a agrietarse. Incluso cuando los investigadores doblaron un sustrato con características impresas, la tinta mostró solo una disminución del 5% en la conductividad que probablemente se puede atribuir al agrietamiento del sustrato en lugar de dañar la tinta en sí. Las pruebas mecánicas sugieren que las tintas de grafeno pueden usarse para crear dispositivos electrónicos plegables en el futuro.
"Básicamente, todos los dispositivos y circuitos electrónicos requerían interconexiones y contactos eléctricos de alta conductividad y alta resolución, "el coautor Mark Hersam, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Universidad Northwestern, dicho Phys.org . "Por lo tanto, Nuestras tintas de grafeno tienen el potencial de impactar en una amplia gama de aplicaciones, especialmente electrónica impresa, electrónica flexible, y electrónica plegable. Ejemplos de aplicaciones posteriores para este tipo de dispositivos electrónicos incluyen teléfonos inteligentes, tabletas, pantallas de pantalla plana, y fotovoltaica ".
En el futuro, los investigadores planean trabajar en la aplicación de la nueva tinta de grafeno a este tipo de aplicaciones.
"Hasta ahora, hemos logrado el desarrollo y la caracterización de la tinta graphen, "Dijo Hersam." Por otro lado, Nuestra investigación futura se centrará en la integración de nuestras tintas de grafeno impresas en dispositivos y circuitos electrónicos totalmente fabricados, incluidas las aplicaciones posteriores enumeradas anteriormente. De esta forma, podemos aprovechar al máximo nuestros avances de investigación fundamentales para la tecnología del mundo real ".
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