Een goedkope, high-speed methode voor het printen van grafeeninkten met behulp van een conventioneel roll-to-roll printproces, zoals die gebruikt werd om kranten en knapperige pakjes af te drukken, zou een breed scala aan praktische toepassingen kunnen openen, inclusief goedkope gedrukte elektronica, intelligente verpakkingen en wegwerpsensoren.

Ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Cambridge in samenwerking met het in Cambridge gevestigde technologiebedrijf Novalia, de methode maakt het mogelijk grafeen en andere elektrisch geleidende materialen toe te voegen aan conventionele inkten op waterbasis en te printen met typische commerciële apparatuur, de eerste keer dat grafeen is gebruikt om met hoge snelheid op een grootschalige commerciële drukpers te printen.

Grafeen is een tweedimensionale laag koolstofatomen, slechts één atoom dik. Zijn flexibiliteit, optische transparantie en elektrische geleidbaarheid maken het geschikt voor een breed scala aan toepassingen, inclusief gedrukte elektronica. Hoewel er over de hele wereld talloze laboratoriumprototypes zijn gedemonstreerd, wijdverbreid commercieel gebruik van grafeen moet nog worden gerealiseerd.

"We zijn verheugd dat we de eerste zijn die grafeeninkt in de buurt brengt van productie in de echte wereld. Er zijn veel bedrijven die grafeeninkten hebben geproduceerd, maar geen van hen heeft het gedaan op een schaal die in de buurt komt, " zei Dr Tawfique Hasan van het Cambridge Graphene Centre (CGC), die de methode heeft ontwikkeld. "In staat zijn om geleidende inkten te produceren die moeiteloos kunnen worden gebruikt voor het printen op commerciële schaal met een zeer hoge snelheid, zal allerlei verschillende toepassingen voor grafeen en andere soortgelijke materialen mogelijk maken."

"Deze methode stelt ons in staat om elektronische systemen in geheel onverwachte vormen te zetten, "zei Chris Jones van Novalia. "Het is een ongelooflijk flexibele technologie."

Hasans methode, ontwikkeld in het Nanoscience Centre van de universiteit, werkt door kleine deeltjes grafeen op te hangen in een 'drager' oplosmiddelmengsel, die wordt toegevoegd aan geleidende inktformuleringen op waterbasis. De verhouding van de ingrediënten kan worden aangepast om de eigenschappen van de vloeistof te regelen, waardoor het drageroplosmiddel gemakkelijk kan worden gemengd in een conventionele geleidende inkt op waterbasis om de weerstand aanzienlijk te verminderen. Dezelfde methode werkt voor andere materialen dan grafeen, inclusief metalen, halfgeleidende en isolerende nanodeeltjes.

Momenteel, gedrukte geleidende patronen gebruiken een combinatie van slecht geleidende koolstof met andere materialen, meestal zilver, wat duur is. Op zilver gebaseerde inkten kosten £ 1000 of meer per kilogram, terwijl deze nieuwe formulering van grafeeninkt 25 keer goedkoper zou zijn. Aanvullend, zilver is niet recyclebaar, terwijl grafeen en andere koolstofmaterialen gemakkelijk kunnen worden gerecycled. De nieuwe methode maakt gebruik van goedkope, niet-giftige en milieuvriendelijke oplosmiddelen die snel kunnen worden gedroogd bij kamertemperatuur, het verminderen van de energiekosten voor het uitharden van inkt. Eenmaal droog, de 'elektrische inkt' is bovendien watervast en hecht uitstekend op de ondergrond.

De op grafeen gebaseerde inkten zijn gedrukt met een snelheid van meer dan 100 meter per minuut, die in lijn is met de commerciële productiesnelheden voor grafisch afdrukken, en veel sneller dan eerdere prototypes. Twee jaar geleden, Hasan en zijn collega's produceerden een prototype van een transparante en flexibele piano met op grafeen gebaseerde inkten, die zes tot acht uur duurde om te maken. Door het gebruik van deze nieuwe inkt, er kunnen meer veelzijdige apparaten op papier of plastic worden gemaakt met een snelheid van 300 per minuut, tegen zeer lage kosten. Novalia heeft ook een gedrukt DJ-deck en een interactieve poster geproduceerd, die met dezelfde methode als een drumkit functioneert.

Hasan en promovendi Guohua Hu, Richard Howe en Zongyin Yang van de Hybrid Nanomaterials Engineering-groep bij CGC, in samenwerking met Novalia, testte de methode op een typische commerciële drukpers, waarvoor geen aanpassingen nodig waren om met de grafeeninkt te kunnen printen. Naast de nieuwe toepassingen zal de methode ook openstaan ​​voor grafeen, het zou ook geheel nieuwe zakelijke kansen kunnen creëren voor commerciële grafische printers, die zouden kunnen diversifiëren in de elektronicasector.

"Het VK, en in het bijzonder de omgeving van Cambridge, is altijd sterk geweest in de grafische sector, maar vooral voor grafisch printen en verpakkingen, " zei Hasan, een Royal Academy of Engineering Research Fellow en een universitair docent bij de afdeling Engineering. "We hopen deze sterke lokale expertise te gebruiken om ons functionele inktplatform uit te breiden. Naast goedkopere printbare elektronica, deze technologie opent potentiële toepassingsgebieden zoals slimme verpakkingen en wegwerpsensoren, die tot op heden grotendeels ontoegankelijk zijn geweest vanwege de kosten."

Op korte tot middellange termijn, de onderzoekers hopen met hun methode gedrukte, beschikbare biosensoren, energieoogstmachines en RFID-tags.