Investigadores de Skoltech, MIPT y otros lugares han encontrado una forma rápida y económica de crear patrones geométricos en películas de nanotubos de carbono. Las películas resultantes resultaron tener propiedades superiores para la fabricación de componentes para dispositivos de comunicación 6G y productos electrónicos flexibles y transparentes, como rastreadores de salud portátiles. El método de creación de patrones se detalla en un artículo publicado en el Chemical Engineering Journal. .
Como otros materiales, los nanotubos de carbono tienen múltiples niveles de organización. A nivel atómico, un nanotubo de pared simple puede visualizarse como una lámina bidimensional de átomos de carbono (grafeno) enrollada en un cilindro. Estos cilindros pueden pegarse entre sí y formar fibras más gruesas.
Las fibras pueden interconectarse en una vasta y porosa red 3D, posiblemente cubriendo alguna superficie como una capa delgada:una película de nanotubos de carbono. Puedes ir un paso más allá y modificar la propia película, por ejemplo quitando parte de su material e imponiéndole así un patrón geométrico.
"A nuestro equipo se le ocurrió una manera muy eficiente de hacer esto y la utilizó para crear una película de nanotubos de carbono en forma de malla. Esto se lograba literalmente quemando muchos agujeros en una película. La idea es hacer que la película sea más transparente en el costo de cierta conductividad eléctrica.
"Terminamos con un conductor transparente que se puede doblar, y esa es básicamente la definición de un electrodo óptico para dispositivos electrónicos transparentes flexibles, como biosensores que monitorean la frecuencia cardíaca, la respiración y la oxigenación de la sangre del usuario", dijo el coautor del estudio. Dijo el profesor Dmitry Krasnikov de Skoltech Photonics, y agregó que la estructura de malla también puede servir como rejilla de difracción, un componente potencialmente útil en la recepción de señales 6G.
Actualmente, existen dos métodos principales para producir películas de nanotubos de carbono estampadas. O se hace una película continua y se le hacen agujeros, sacrificando hasta el 90% del material, lo que claramente no es muy económico. De lo contrario, se debe utilizar una litografía muy fina para fabricar la película estampada desde cero.
Pero ese proceso también es bastante caro y complejo, ya que implica múltiples pasos y el uso de soluciones líquidas, que tienden a contaminar la película con impurezas y comprometer sus propiedades.
"Nuestro enfoque tiene una serie de ventajas", explicó el investigador principal del estudio, el profesor Albert Nasibulin de Skoltech Photonics. "Es reproducible, bastante rápido, económico y versátil. No se utilizan soluciones líquidas, lo que hace que el método sea más limpio y garantiza una alta calidad. De hecho, la relación transparencia-conductividad de la malla, que es su principal mérito hasta el momento en lo que respecta a los electrodos ópticos, es 12 veces mejor que el de una película continua.
"En ese sentido, la nueva técnica supera a la litografía fina y está a la par del enfoque comparativamente derrochador en el que se quema (¡y se pierde!) el material sobrante. Además, también podemos crear otros patrones además de las mallas".
¿Entonces, cómo funciona? Primero, los investigadores hacen una plantilla de cobre del patrón (en este caso una malla cuadrada) cortándola de una lámina de cobre con un láser. Luego toman un filtro de membrana de nitrocelulosa, lo cubren con la plantilla y rocían partículas de cobre sobre él, creando efectivamente un patrón complementario.
Si luego deposita nanotubos de carbono en el filtro, adoptarán el patrón de malla deseado, porque el cobre pulverizado los repele. Y dado que la película estampada resultante no se adhiere al cobre ni a la nitrocelulosa, es fácil transferirla a otro sustrato simplemente presionando un trozo de goma, vidrio u otro material contra el filtro.
Los científicos probaron las propiedades de difracción de las rejillas, preparadas como mallas 2D sobre una fina capa de material elástico (elastómero). Un espectrómetro de terahercios registró claramente los picos de difracción habituales en la parte de óptica de cualquier curso de física general, sólo que esos picos no se observaron en luz visible sino en la banda de frecuencia de THz, que corresponde a longitudes de onda de aproximadamente 1 milímetro y es intermedia entre la luz infrarroja. y microondas.
Los investigadores estiraron el sustrato elástico, variando así el período de la red, y registraron los cambios de pico de difracción asociados en estricta conformidad con las leyes ópticas conocidas.
"La facilidad, la simplicidad y el costo relativamente bajo de fabricar estructuras basadas en películas de nanotubos, combinados con el eficiente método de espectroscopía cuasi óptica de THz (que utiliza un haz de radiación incidente de THz en el espacio abierto), permiten grandes oportunidades para fabricar y probar el rendimiento de todo tipo. de estructura bidimensional basada en nanotubos, que podrían incorporarse en varios dispositivos y componentes usando radiación THz", comentó el coautor del estudio Boris Gorshunov, quien dirige el Laboratorio de Espectroscopía de Terahercios en MIPT.
El equipo pronto informará sobre experimentos similares con patrones geométricos distintos de las mallas (círculos concéntricos y espirales) para obtener imágenes avanzadas de THz. Esto se refiere a una tecnología segura y no invasiva para controles de seguridad y exámenes médicos que se basa en la radiación en la banda entre las microondas y la luz infrarroja.
Más información: Ilya V. Novikov et al, Modelado rápido sin líquido de películas SWCNT para aplicaciones electrónicas y ópticas, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.149733
Información de la revista: Revista de ingeniería química
Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo
