Onderzoekers van de Technische Universitaet Muenchen (TUM) wijzen de weg naar goedkope, productie op industriële schaal van een nieuwe familie van elektronische apparaten. Een toonaangevend voorbeeld is een gassensor die in voedselverpakkingen kan worden geïntegreerd om de versheid, of in compacte draadloze luchtkwaliteitsmonitoren. Er zijn ook nieuwe soorten zonnecellen en flexibele transistors in de maak, evenals druk- en temperatuursensoren die in de elektronische huid kunnen worden ingebouwd voor robot- of bionische toepassingen. Alles kan worden gemaakt met koolstofnanobuisjes, als inkt op flexibele plastic platen of andere substraten gespoten.

Op koolstof nanobuisjes gebaseerde gassensoren die bij TUM zijn gemaakt, bieden een unieke combinatie van kenmerken die door geen van de alternatieve technologieën kan worden geëvenaard. Ze detecteren snel en reageren continu op extreem kleine veranderingen in de concentraties van gassen, waaronder ammoniak, kooldioxide, en stikstofoxide. Ze werken op kamertemperatuur en verbruiken zeer weinig stroom. Verder, zoals de TUM-onderzoekers in hun laatste papers rapporteren, dergelijke apparaten kunnen worden vervaardigd op flexibele rugmaterialen door middel van grote oppervlakken, goedkope processen.

Zo wordt het realistisch om plastic voedselverpakkingen voor te stellen met flexibele, beschikbare gassensoren, het verstrekken van een meer betekenisvolle indicator van de versheid van voedsel dan de houdbaarheidsdatum. Kooldioxide meten, bijvoorbeeld, kan de houdbaarheid van vlees helpen voorspellen. "Slimme verpakkingen" - ervan uitgaande dat consumenten het acceptabel vinden en de niet-toxische aard van de apparaten kan worden aangetoond - zou de voedselveiligheid kunnen verbeteren en zou ook de hoeveelheid voedsel die wordt verspild aanzienlijk kunnen verminderen. Gebruikt in een andere setting, hetzelfde soort gassensor zou het goedkoper en praktischer kunnen maken om de luchtkwaliteit binnenshuis in realtime te bewaken.

Niet zo eenvoudig - maar "heel eenvoudig"

Postdoctoraal onderzoeker Alaa Abdellah en collega's van het TUM Institute for Nanoelectronics hebben aangetoond dat hoogwaardige gassensoren, in werkelijkheid, gespoten op flexibele kunststof ondergronden. Met dat, ze hebben mogelijk de weg geopend naar commerciële levensvatbaarheid voor op koolstof nanobuisjes gebaseerde sensoren en hun toepassingen. "Dit is echt simpel, als je eenmaal weet hoe je het moet doen, " zegt prof. Paolo Lugli, directeur van het instituut.

De meest elementaire bouwsteen voor deze technologie is een enkele cilindrische molecule, een opgerolde laag koolstofatomen die in een honingraatpatroon zijn verbonden. Deze zogenaamde koolstofnanobuis kan worden vergeleken met een onvoorstelbaar lange tuinslang:een holle buis met een diameter van slechts een nanometer of zo, maar misschien wel miljoenen keren zo lang als breed. Individuele koolstofnanobuisjes vertonen verbazingwekkende en nuttige eigenschappen, maar in dit geval zijn de onderzoekers meer geïnteresseerd in wat er massaal mee gedaan kan worden.

Vastgelegd in dunne films, willekeurig georiënteerde koolstofnanobuisjes vormen geleidende netwerken die als elektroden kunnen dienen; Gedessineerde en gelaagde films kunnen functioneren als sensoren of transistoren. "In feite, "Prof. Lugli legt uit, "de elektrische weerstand van dergelijke films kan worden gemoduleerd door ofwel een aangelegde spanning (om een ​​transistorwerking te verschaffen) of door de adsorptie van gasmoleculen, wat op zijn beurt een signatuur is van de gasconcentratie voor sensortoepassingen."

En als basis voor gassensoren in het bijzonder, koolstofnanobuisjes combineren voordelen (en vermijden tekortkomingen) van meer gevestigde materialen, zoals op polymeren gebaseerde organische elektronica en halfgeleiders van metaaloxide in vaste toestand. Wat tot nu toe ontbrak, is een betrouwbare, reproduceerbaar, goedkope fabricagemethode.

Nevelafzetting, eventueel aangevuld met transferdruk, voorziet in die behoefte. Een waterige oplossing van koolstofnanobuisjes ziet eruit als een fles zwarte inkt en kan op vergelijkbare manieren worden gehanteerd. Zo kunnen apparaten - vanuit een computergestuurde robotspuitmond - op vrijwel elk type ondergrond worden gespoten, inclusief grote vellen flexibel plastic. Er zijn geen dure cleanroomfaciliteiten nodig.

"Voor ons was het belangrijk om een ​​eenvoudig schaalbaar technologieplatform te ontwikkelen voor de productie van gedrukte en flexibele elektronica met grote oppervlakten op basis van organische halfgeleiders en nanomaterialen, " zegt Dr. Abdellah. "Daartoe, sproeidepositie vormt de kern van onze verwerkingstechnologie."

Resterende technische uitdagingen komen grotendeels voort uit toepassingsspecifieke vereisten, zoals de noodzaak dat gassensoren zowel selectief als gevoelig zijn.