Wetenschappers van Rice University die laser-geïnduceerd grafeen (LIG) introduceerden, hebben hun techniek verbeterd om te produceren wat een nieuwe klasse van eetbare elektronica kan worden.

Het rijstlab van scheikundige James Tour, die ooit Girl Scout-koekjes in grafeen veranderden, onderzoekt manieren om grafeenpatronen op voedsel en andere materialen te schrijven om snel geleidende identificatielabels en sensoren in de producten zelf te integreren.

"Dit is geen inkt, " zei Tour. "Dit is het materiaal zelf nemen en het omzetten in grafeen."

Het proces is een uitbreiding van de bewering van het Tour-lab dat alles met het juiste koolstofgehalte in grafeen kan worden omgezet. In recente jaren, het lab heeft zijn methode ontwikkeld en uitgebreid om grafeenschuim te maken door een commerciële laser te gebruiken om de toplaag van een goedkope polymeerfilm te transformeren.

Het schuim bestaat uit microscopische, verknoopte vlokken van grafeen, de tweedimensionale vorm van koolstof. LIG kan in patronen in doelmaterialen worden geschreven en als supercondensator worden gebruikt, een elektrokatalysator voor brandstofcellen, radiofrequentie-identificatie (RFID) antennes en biologische sensoren, onder andere mogelijke toepassingen.

Het nieuwe werk gerapporteerd in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano aangetoond dat laser-geïnduceerd grafeen in papier kan worden gebrand, karton, lap, steenkool en bepaalde voedingsmiddelen, zelfs toasten.

"Heel vaak, we zien het voordeel van iets niet totdat we het beschikbaar maken, " zei Tour. "Misschien heeft al het voedsel een kleine RFID-tag die je informatie geeft over waar het is geweest, hoe lang het is opgeslagen, het land en de stad van herkomst en de weg die nodig was om bij je tafel te komen."

Hij zei dat LIG-tags ook sensoren kunnen zijn die E. coli of andere micro-organismen op voedsel detecteren. "Ze kunnen oplichten en je een signaal geven dat je dit niet wilt eten, " zei Tour. "Alles wat niet op een apart label op het eten kan worden geplaatst, maar op het eten zelf."

Meerdere laserpassages met een onscherpe straal stelden de onderzoekers in staat om LIG-patronen in doek te schrijven, papier, aardappelen, kokosnootschalen en kurk, evenals toast. (Het brood wordt eerst geroosterd om het oppervlak te "verkolen".) Het proces gebeurt in lucht bij omgevingstemperaturen.

"In sommige gevallen, meervoudig laseren creëert een reactie in twee stappen, ' zei Tour. 'Eerst, de laser zet het doeloppervlak fotothermisch om in amorfe koolstof. Dan bij volgende passages van de laser, de selectieve absorptie van infrarood licht verandert de amorfe koolstof in LIG. We ontdekten dat de golflengte er duidelijk toe doet."

De onderzoekers wendden zich tot meerdere lasers en onscherpte toen ze ontdekten dat het eenvoudigweg verhogen van de kracht van de laser grafeen niet beter maakte op een kokosnoot of ander organisch materiaal. Maar door het proces aan te passen, konden ze een micro-supercondensator maken in de vorm van een rijst "R" op hun tweemaal gelaserde kokosnoothuid.

Het defocusseren van de laser versnelde het proces voor veel materialen, omdat de bredere bundel het mogelijk maakte dat elke plek op een doel vele malen in een enkele rasterscan kon worden gelaserd. Dat maakte ook een fijne controle over het product mogelijk, zei toer. Door defocussering konden ze voorheen ongeschikte polyetherimide omzetten in LIG.

"We ontdekten ook dat we brood of papier of stof konden nemen en daaraan brandvertragende middelen konden toevoegen om de vorming van amorfe koolstof te bevorderen, " zei Rice afgestudeerde student Yieu Chyan, co-hoofdauteur van het artikel. "Nu zijn we in staat om al deze materialen te nemen en ze direct in de lucht om te zetten zonder dat we een doos met gecontroleerde atmosfeer of meer gecompliceerde methoden nodig hebben."

Het gemeenschappelijke element van alle beoogde materialen lijkt lignine te zijn, zei toer. Een eerdere studie was gebaseerd op lignine, een complex organisch polymeer dat stijve celwanden vormt, als koolstofprecursor om LIG te verbranden in ovengedroogd hout. Kurk, kokosnootschalen en aardappelschillen hebben een nog hoger ligninegehalte, waardoor het gemakkelijker werd om ze om te zetten in grafeen.

Tour zei flexibel, draagbare elektronica kan een vroege markt voor de techniek zijn. "Dit heeft toepassingen om geleidende sporen op kleding aan te brengen, of je de kleding wilt verwarmen of een sensor of geleidend patroon wilt toevoegen, " hij zei.