science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Ingenieurs behandelen gedrukt grafeen met lasers om papierelektronica mogelijk te maken

Ingenieurs in de staat Iowa ontwikkelen echte, goedkope toepassingen voor grafeen. Krediet:Christopher Gannon/Iowa State University.

De onderzoekers in het laboratorium van Jonathan Claussen aan de Iowa State University (die zichzelf graag nano-ingenieurs noemen) hebben gezocht naar manieren om grafeen en zijn verbazingwekkende eigenschappen te gebruiken in hun sensoren en andere technologieën.

Grafeen is een wondermateriaal:de koolstofhoningraat is slechts een atoom dik. Het is geweldig in het geleiden van elektriciteit en warmte; het is sterk en stabiel. Maar onderzoekers hebben moeite gehad om verder te gaan dan kleine laboratoriummonsters voor het bestuderen van de materiaaleigenschappen naar grotere stukken voor toepassingen in de echte wereld.

Recente projecten waarbij inkjetprinters werden gebruikt om meerlaagse grafeencircuits en elektroden af ​​te drukken, deden de ingenieurs nadenken over het gebruik ervan voor flexibele, draagbare en goedkope elektronica. Bijvoorbeeld, "Kunnen we grafeen maken op schalen die groot genoeg zijn voor glucosesensoren?" vroeg Suprem Das, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de staat Iowa in werktuigbouwkunde en een medewerker van het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie.

Maar er waren problemen met de bestaande technologie. Eenmaal afgedrukt, het grafeen moest worden behandeld om de elektrische geleidbaarheid en de prestaties van het apparaat te verbeteren. Dat betekende meestal hoge temperaturen of chemicaliën - beide kunnen flexibele of wegwerpbare afdrukoppervlakken, zoals plastic films of zelfs papier, aantasten.

Das en Claussen kwamen op het idee om met lasers het grafeen te behandelen. Clausen, een assistent-professor werktuigbouwkunde in Iowa State en een medewerker van Ames Laboratory, werkte met Gary Cheng, een universitair hoofddocent aan de Purdue University's School of Industrial Engineering, om het idee te ontwikkelen en te testen.

En het werkte:ze vonden het behandelen van inkjet-geprinte, meerlaagse grafeen elektrische circuits en elektroden met een gepulseerd laserproces verbetert de elektrische geleidbaarheid zonder papier te beschadigen, polymeren of andere kwetsbare printoppervlakken.

"Dit creëert een manier om de productie van grafeen te commercialiseren en op te schalen, ’ zei Klaassen.

De bevindingen staan ​​op de voorkant van het tijdschrift nanoschaal 's issue 35. Claussen en Cheng zijn hoofdauteurs en Das is eerste auteur. Andere co-auteurs van Iowa State zijn Allison Cargill, John Hondred en Shaowei Ding, afgestudeerde studenten werktuigbouwkunde. Andere Purdue co-auteurs zijn Qiong Nian en Mojib Saei, afgestudeerde studenten industrieel ingenieur.

Suprem Das houdt grafeenelektronica vast die op een vel papier is afgedrukt. Das en Jonathan Claussen, Rechtsaf, gebruiken lasers om de geprinte grafeenelektronica te behandelen. Het proces verbetert de geleidbaarheid en maakt flexibele, draagbare en goedkope elektronica. Krediet:Christopher Gannon/Iowa State University

Twee grote subsidies ondersteunen het project en het bijbehorende onderzoek:een driejarige subsidie ​​van het National Institute of Food and Agriculture, Amerikaanse ministerie van landbouw, onder toekenningsnummer 11901762 en een driejarige subsidie ​​van de Roy J. Carver Charitable Trust. Iowa State's College of Engineering en de afdeling werktuigbouwkunde ondersteunen ook het onderzoek.

De Iowa State Research Foundation Inc. heeft patent aangevraagd op de technologie.

"De doorbraak van dit project is het transformeren van het inkjet-geprinte grafeen in een geleidend materiaal dat in nieuwe toepassingen kan worden gebruikt. ’ zei Klaassen.

Die toepassingen kunnen sensoren zijn met biologische toepassingen, energieopslagsystemen, elektrisch geleidende componenten en zelfs op papier gebaseerde elektronica.

Om dat allemaal mogelijk te maken, de ingenieurs ontwikkelden computergestuurde lasertechnologie die selectief inkjet-geprint grafeenoxide bestraalt. De behandeling verwijdert inktbinders en reduceert grafeenoxide tot grafeen - waarbij miljoenen kleine grafeenvlokken fysiek aan elkaar worden gehecht. Het proces maakt de elektrische geleidbaarheid meer dan duizend keer beter.

"De laser werkt met een snelle puls van energierijke fotonen die het grafeen of het substraat niet vernietigen, " zei Das. "Ze verwarmen plaatselijk. Ze bombarderen lokaal. Ze verwerken lokaal."

Dat gelokaliseerde, laserverwerking verandert ook de vorm en structuur van het afgedrukte grafeen van een plat oppervlak in een met verhoogd, 3D nanostructuren. De ingenieurs zeggen dat de 3D-structuren zijn als kleine bloembladen die uit het oppervlak komen. De ruwe en geribbelde structuur verhoogt de elektrochemische reactiviteit van het grafeen, waardoor het bruikbaar is voor chemische en biologische sensoren.

Dat allemaal, volgens Claussen's team van nano-ingenieurs, zou grafeen naar commerciële toepassingen kunnen verplaatsen.

"Dit werk maakt de weg vrij voor niet alleen op papier gebaseerde elektronica met grafeencircuits, " schreven de onderzoekers in hun paper, "het maakt de creatie mogelijk van goedkope en wegwerpbare elektrochemische elektroden op basis van grafeen voor talloze toepassingen, waaronder sensoren, biosensoren, brandstofcellen en (medische) apparaten."