Door minuscule metalen nanodeeltjes in vloeistoffen te suspenderen, Wetenschappers van Duke University brouwen geleidende inkjetprinter-"inkten" om goedkoop te printen, aanpasbare circuitpatronen op vrijwel elk oppervlak.

Gedrukte elektronica, die al op grote schaal worden gebruikt in apparaten zoals RFID-tags (anti-diefstal radiofrequentie-identificatie) die u op de achterkant van nieuwe dvd's kunt vinden, hebben momenteel één groot nadeel:om de circuits te laten werken, ze moeten eerst worden verwarmd om alle nanodeeltjes samen te smelten tot een enkele geleidende draad, waardoor het onmogelijk is om schakelingen op goedkope plastics of papier te printen.

Een nieuwe studie door Duke-onderzoekers toont aan dat het aanpassen van de vorm van de nanodeeltjes in de inkt de behoefte aan warmte zou kunnen elimineren.

Door de geleidbaarheid te vergelijken van films gemaakt van verschillende vormen van zilveren nanostructuren, de onderzoekers ontdekten dat elektronen veel gemakkelijker door films gemaakt van zilveren nanodraden ritsen dan films gemaakt van andere vormen, zoals nanobolletjes of microvlokken. In feite, elektronen stroomden zo gemakkelijk door de nanodraadfilms dat ze in gedrukte schakelingen konden functioneren zonder ze allemaal samen te hoeven smelten.

"De nanodraden hadden een 4, 000 keer hogere geleidbaarheid dan de meer algemeen gebruikte zilveren nanodeeltjes die je zou vinden in gedrukte antennes voor RFID-tags, " zei Benjamin Wiley, assistent-professor scheikunde aan Duke. "Dus als je nanodraden gebruikt, dan hoef je de printplaten niet zo hoog op te warmen en kun je goedkoper plastic of papier gebruiken."

"Er is echt niets anders dat ik kan bedenken dan deze zilveren nanodraden die je gewoon kunt printen en het is gewoon geleidend, zonder enige nabewerking, ' voegde Wiley eraan toe.

Dit soort geprinte elektronica kan toepassingen hebben die veel verder gaan dan slimme verpakkingen; onderzoekers stellen zich het gebruik van de technologie voor om zonnecellen te maken, gedrukte displays, LED's, aanraakschermen, versterkers, batterijen en zelfs sommige implanteerbare bio-elektronische apparaten. De resultaten verschenen online op 16 december in ACS toegepaste materialen en interfaces .

Zilver is een go-to-materiaal geworden voor het maken van gedrukte elektronica, Wiley zei, en er zijn onlangs een aantal onderzoeken verschenen die de geleidbaarheid van films met verschillende vormen van zilveren nanostructuren meten. Echter, experimentele variaties maken directe vergelijkingen tussen de vormen moeilijk, en weinig rapporten hebben de geleidbaarheid van de films gekoppeld aan de totale hoeveelheid zilver die is gebruikt, een belangrijke factor bij het werken met kostbaar materiaal.

"We wilden alle extra materialen uit de inkten verwijderen en gewoon de hoeveelheid zilver in de films en de contacten tussen de nanostructuren aanscherpen als de enige bron van variabiliteit, " zei Ian Stewart, een recent afgestudeerde student in Wiley's lab en eerste auteur van de ACS-paper.

Stewart gebruikte bekende recepten om zilveren nanostructuren met verschillende vormen te koken, inclusief nanodeeltjes, microvlokken, en korte en lange nanodraden, en mengde deze nanostructuren met gedestilleerd water om eenvoudige "inkten" te maken. Vervolgens vond hij een snelle en gemakkelijke manier uit om dunne films te maken met behulp van apparatuur die beschikbaar is in vrijwel elk laboratorium:glasplaatjes en dubbelzijdige tape.

"We hebben een perforator gebruikt om putjes uit dubbelzijdig plakband te snijden en deze op glasplaatjes te plakken, " zei Stewart. Door een nauwkeurig volume inkt toe te voegen aan elk "putje" van de tape en vervolgens de putjes te verwarmen - ofwel tot een relatief lage temperatuur om het water eenvoudig te verdampen of tot hogere temperaturen om de structuren samen te smelten - creëerde hij een verscheidenheid aan films testen.

Het team zegt niet verrast te zijn dat de lange nanodraadfilms de hoogste geleidbaarheid hadden. Elektronen stromen meestal gemakkelijk door individuele nanostructuren, maar komen vast te zitten wanneer ze van de ene structuur naar de andere moeten springen, Wiley legde uit, en lange nanodraden verminderen het aantal keren dat de elektronen deze "sprong" moeten maken aanzienlijk.

Maar ze waren verbaasd over hoe ingrijpend de verandering was. "De soortelijke weerstand van de lange zilveren nanodraadfilms is enkele ordes van grootte lager dan die van zilveren nanodeeltjes en slechts 10 keer groter dan puur zilver, ' zei Stewart.

Het team experimenteert nu met het gebruik van aerosolstralen om zilveren nanodraadinkten te printen in bruikbare circuits. Wiley zegt dat ze ook willen onderzoeken of verzilverde koperen nanodraden, die aanzienlijk goedkoper te produceren zijn dan puur zilveren nanodraden, zal hetzelfde effect geven.