La próxima vez que haga su pedido de café, imagina colocar en tu taza para llevar una pegatina que actúa como una calcomanía electrónica, permitiéndole saber la temperatura precisa de su café con leche sin espuma de triple venti. Algún día, el estampado de alta tecnología que produce una etiqueta adhesiva de este tipo también podría traernos empaques de alimentos que muestran una cuenta regresiva digital para advertir sobre los productos en mal estado, o incluso un panel de ventana que muestra la previsión del día, basado en mediciones de las condiciones climáticas en el exterior.

Los ingenieros del MIT han inventado un sistema proceso de impresión preciso que puede hacer de tales superficies electrónicas una realidad económica. En un artículo publicado hoy en Avances de la ciencia , los investigadores informan que han fabricado un sello hecho a partir de bosques de nanotubos de carbono que puede imprimir tintas electrónicas en superficies rígidas y flexibles.

A. John Hart, el Profesor Asociado de Desarrollo de Carrera de Mitsui en Tecnología Contemporánea e Ingeniería Mecánica en el MIT, dice que el proceso de estampado del equipo debería poder imprimir transistores lo suficientemente pequeños como para controlar píxeles individuales en pantallas táctiles y de alta resolución. La nueva técnica de impresión también puede ofrecer una forma rápida de fabricar superficies electrónicas para aplicaciones aún desconocidas.

"Existe una gran necesidad de imprimir dispositivos electrónicos que sean extremadamente económicos pero que proporcionen cálculos simples y funciones interactivas, ", Dice Hart." Nuestro nuevo proceso de impresión es una tecnología habilitadora para un alto rendimiento, electrónica totalmente impresa, incluyendo transistores, superficies ópticamente funcionales, y sensores ubicuos ".

Sanha Kim, un postdoctorado en los departamentos de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Química del MIT, es el autor principal, y Hart es el autor principal. Sus coautores son los estudiantes graduados en ingeniería mecánica Hossein Sojoudi, Hangbo Zhao, y Dhanushkodi Mariappan; Gareth McKinley, el Catedrático de Innovación Docente de la Escuela de Ingeniería; y Karen Gleason, profesor de ingeniería química y rector adjunto del MIT.

Un sello de diminutas plumas de bolígrafo

Ha habido otros intentos en los últimos años para imprimir superficies electrónicas utilizando técnicas de impresión por inyección de tinta y estampado de caucho. pero con resultados difusos. Debido a que estas técnicas son difíciles de controlar a escalas muy pequeñas, tienden a producir patrones de "anillos de café" donde la tinta se derrama sobre los bordes, o impresiones irregulares que pueden dar lugar a circuitos incompletos.

"Existen limitaciones críticas para los procesos de impresión existentes en el control que tienen sobre el tamaño de la característica y el grosor de la capa que se imprime, ", Dice Hart." Para algo como un transistor o una película delgada con propiedades eléctricas u ópticas particulares, esas características son muy importantes ".

Hart y su equipo buscaron imprimir productos electrónicos con mucha más precisión, diseñando sellos "nanoporosos". (Imagina un sello más esponjoso que el caucho y encogido al tamaño de una uña meñique, con rasgos estampados que son mucho más pequeños que el ancho de un cabello humano). Ellos razonaron que el sello debería ser poroso, para permitir una solución de nanopartículas, o "tinta, "para fluir uniformemente a través del sello y sobre cualquier superficie que se imprima. Diseñado de esta manera, el sello debe alcanzar una resolución mucho más alta que la impresión convencional de sellos de caucho, conocido como flexografía.

Kim y Hart dieron con el material perfecto para crear su sello altamente detallado:nanotubos de carbono:fuertes, láminas microscópicas de átomos de carbono, dispuestas en cilindros. El grupo de Hart se ha especializado en el cultivo de bosques de nanotubos alineados verticalmente en patrones cuidadosamente controlados que se pueden diseñar en sellos muy detallados.

"Es algo fortuito que la solución para la impresión de alta resolución de productos electrónicos aproveche nuestra experiencia en la fabricación de nanotubos de carbono durante muchos años, "Dice Hart." Los bosques de nanotubos de carbono pueden transferir tinta a una superficie como cantidades masivas de diminutas plumas de pluma ".

Circuitos de impresión, rollo a rollo

Para hacer sus sellos, los investigadores utilizaron las técnicas desarrolladas previamente por el grupo para hacer crecer los nanotubos de carbono en una superficie de silicio en varios patrones, incluyendo hexágonos en forma de panal y diseños en forma de flor. Cubrieron los nanotubos con una fina capa de polímero (desarrollada por el grupo de Gleason) para garantizar que la tinta penetrara en todo el bosque de nanotubos y que los nanotubos no se encogieran después de sellar la tinta. Luego, infundieron el sello con un pequeño volumen de tinta electrónica que contenía nanopartículas como plata, óxido de zinc, o puntos cuánticos semiconductores.

La clave para imprimir pequeños preciso, Los patrones de alta resolución se refieren a la cantidad de presión aplicada para estampar la tinta. El equipo desarrolló un modelo para predecir la cantidad de fuerza necesaria para estampar una capa uniforme de tinta en un sustrato. dada la rugosidad tanto del sello como del sustrato, y la concentración de nanopartículas en la tinta.

Para ampliar el proceso, Mariappan construyó una máquina de impresión, incluyendo un rodillo motorizado, y unido a él varios sustratos flexibles. Los investigadores fijaron cada sello en una plataforma unida a un resorte, que utilizaron para controlar la fuerza utilizada para presionar el sello contra el sustrato.

"Este sería un proceso industrial continuo, donde tendrías un sello, y un rodillo en el que tendría un sustrato sobre el que desea imprimir, como un carrete de película plástica o papel especializado para electrónica, "Hart dice". Encontramos, limitado por el motor que usamos en el sistema de impresión, podríamos imprimir a 200 milímetros por segundo, continuamente, que ya es competitivo con las tasas de las tecnologías de impresión industrial. Esta, combinado con una mejora de diez veces en la resolución de impresión que demostramos, es alentador ".

Después de estampar patrones de tinta de varios diseños, el equipo probó la conductividad eléctrica de los patrones impresos. Después del recocido, o calefacción, los diseños después del estampado, un paso común en la activación de funciones electrónicas, los patrones impresos eran de hecho altamente conductivos, y podría servir, por ejemplo, como electrodos transparentes de alto rendimiento.

Avanzando, Hart y su equipo planean buscar la posibilidad de productos electrónicos totalmente impresos.

"Otro próximo paso emocionante es la integración de nuestras tecnologías de impresión con materiales 2-D, como el grafeno, que juntos podrían permitir nuevas, dispositivos electrónicos ultrafinos y de conversión de energía, "Dice Hart.