De volgende keer dat u uw koffiebestelling plaatst, stel je voor dat je op je to-go-beker een sticker slaat die fungeert als een elektronische sticker, om u de precieze temperatuur van uw triple-venti no-foam latte te laten weten. op een dag, het hightech stempelen dat zo'n sticker produceert, kan ons ook voedselverpakkingen opleveren die een digitale aftelling weergeven om te waarschuwen voor bederfelijke producten, of zelfs een ruit die de voorspelling van de dag toont, op basis van metingen van de weersomstandigheden buiten.

Ingenieurs van het MIT hebben een snelle, nauwkeurig afdrukproces dat dergelijke elektronische oppervlakken een goedkope realiteit kan maken. In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , de onderzoekers melden dat ze een stempel hebben gemaakt van bossen van koolstofnanobuisjes die elektronische inkt op stijve en flexibele oppervlakken kunnen printen.

A. John Hart, de Mitsui Career Development Associate Professor in Contemporary Technology and Mechanical Engineering aan het MIT, zegt dat het stempelproces van het team in staat moet zijn om transistors te printen die klein genoeg zijn om individuele pixels te besturen in displays met hoge resolutie en touchscreens. De nieuwe druktechniek kan ook een relatief goedkope, snelle manier om elektronische oppervlakken te vervaardigen voor nog onbekende toepassingen.

"Er is een enorme behoefte aan het printen van elektronische apparaten die extreem goedkoop zijn, maar die eenvoudige berekeningen en interactieve functies bieden, ", zegt Hart. "Ons nieuwe printproces is een technologie die hoogwaardige, volledig bedrukte elektronica, inclusief transistoren, optisch functionele oppervlakken, en alomtegenwoordige sensoren."

Sanha Kim, een postdoc in de afdelingen Werktuigbouwkunde en Chemische Technologie van het MIT, is de hoofdauteur, en Hart is de senior auteur. Hun co-auteurs zijn afgestudeerde studenten werktuigbouwkunde Hossein Sojoudi, Hangbo Zhao, en Dhanushkodi Marappan; Gareth McKinley, de School of Engineering hoogleraar Onderwijsinnovatie; en Karen Gleason, hoogleraar chemische technologie en MIT's associate provoost.

Een stempel van kleine penpennen

Er zijn de afgelopen jaren andere pogingen geweest om elektronische oppervlakken af ​​te drukken met behulp van inkjetprinten en rubberstempeltechnieken, maar met vage resultaten. Omdat dergelijke technieken op zeer kleine schaal moeilijk te beheersen zijn, ze hebben de neiging om "koffiering" -patronen te produceren waar inkt over de randen loopt, of ongelijkmatige afdrukken die tot onvolledige circuits kunnen leiden.

"Er zijn kritische beperkingen aan bestaande printprocessen in de controle die ze hebben over de functiegrootte en dikte van de laag die wordt afgedrukt, " zegt Hart. "Voor zoiets als een transistor of dunne film met bepaalde elektrische of optische eigenschappen, die eigenschappen zijn heel belangrijk."

Hart en zijn team probeerden elektronica veel nauwkeuriger te printen, door het ontwerpen van "nanoporeuze" postzegels. (Stel je een stempel voor die sponsachtiger is dan rubber en gekrompen tot de grootte van een roze vingernagel, met patroonkenmerken die veel kleiner zijn dan de breedte van een mensenhaar.) Ze redeneerden dat de stempel poreus moest zijn, om een ​​oplossing van nanodeeltjes mogelijk te maken, of "inkt, " om gelijkmatig door de stempel te vloeien en op elk oppervlak dat moet worden afgedrukt. Op deze manier ontworpen, de stempel moet een veel hogere resolutie bereiken dan conventionele rubberen stempelafdrukken, flexografie genoemd.

Kim en Hart vonden het perfecte materiaal om hun zeer gedetailleerde stempel te creëren:koolstofnanobuisjes - sterk, microscopische platen van koolstofatomen, gerangschikt in cilinders. Hart's groep is gespecialiseerd in het kweken van bossen van verticaal uitgelijnde nanobuisjes in zorgvuldig gecontroleerde patronen die kunnen worden gemanipuleerd tot zeer gedetailleerde stempels.

"Het is enigszins toevallig dat de oplossing voor het printen van elektronica met hoge resolutie jarenlang gebruik maakt van onze achtergrond bij het maken van koolstofnanobuisjes, Hart zegt. "De bossen van koolstofnanobuisjes kunnen inkt op een oppervlak overbrengen als enorme aantallen kleine penpennen."

Printcircuits, rol voor rol

Om hun postzegels te maken, de onderzoekers gebruikten eerder ontwikkelde technieken van de groep om de koolstofnanobuisjes in verschillende patronen op een oppervlak van silicium te laten groeien, inclusief honingraatachtige zeshoeken en bloemvormige ontwerpen. Ze bedekten de nanobuisjes met een dunne polymeerlaag (ontwikkeld door de groep van Gleason) om ervoor te zorgen dat de inkt door het hele nanobuisbos zou dringen en dat de nanobuisjes niet zouden krimpen nadat de inkt was gestempeld. Daarna doordrenken ze de postzegel met een kleine hoeveelheid elektronische inkt die nanodeeltjes bevat zoals zilver, zinkoxide, of halfgeleider quantum dots.

De sleutel tot het printen van kleine, nauwkeurig, patronen met een hoge resolutie hebben betrekking op de hoeveelheid druk die wordt uitgeoefend om de inkt te stempelen. Het team ontwikkelde een model om de hoeveelheid kracht te voorspellen die nodig is om een ​​gelijkmatige laag inkt op een substraat te stempelen, gezien de ruwheid van zowel de stempel als de ondergrond, en de concentratie van nanodeeltjes in de inkt.

Om het proces op te schalen, Marappan bouwde een drukmachine, inclusief een gemotoriseerde roller, en daaraan verschillende flexibele substraten bevestigd. De onderzoekers bevestigden elke postzegel op een platform dat aan een veer was bevestigd, die ze gebruikten om de kracht te beheersen die werd gebruikt om de stempel tegen het substraat te drukken.

"Dit zou een continu industrieel proces zijn, waar je een stempel zou hebben, en een roller waarop je een substraat zou hebben waarop je wilt printen, zoals een spoel plastic folie of speciaal papier voor elektronica, " zegt Hart. "We vonden, beperkt door de motor die we in het printsysteem gebruikten, we konden printen met 200 millimeter per seconde, doorlopend, die al concurrerend is met de tarieven van industriële printtechnologieën. Dit, gecombineerd met een tienvoudige verbetering van de afdrukresolutie die we hebben aangetoond, is bemoedigend."

Na het stempelen van inktpatronen van verschillende ontwerpen, het team testte de elektrische geleidbaarheid van de afgedrukte patronen. Na het gloeien, of verwarming, de ontwerpen na het stempelen - een veel voorkomende stap bij het activeren van elektronische functies - de gedrukte patronen waren inderdaad zeer geleidend, en kon dienen, bijvoorbeeld, als hoogwaardige transparante elektroden.

Vooruit gaan, Hart en zijn team zijn van plan om de mogelijkheid van volledig bedrukte elektronica na te streven.

"Een andere spannende volgende stap is de integratie van onze printtechnologieën met 2D-materialen, zoals grafeen, die samen nieuwe, ultradunne elektronische en energieconversieapparaten, ' zegt Hart.