De Universiteit van Nottingham heeft het raadsel opgelost over het gebruik van inkt om nieuwe elektronische apparaten met nuttige eigenschappen te 3D-printen. zoals het vermogen om licht om te zetten in elektriciteit.

Uit het onderzoek blijkt dat het mogelijk is om inkt te spuiten, met kleine schilfers van 2D-materialen zoals grafeen, om de verschillende lagen van dit complex op te bouwen en samen te voegen, op maat gemaakte constructies.

Met behulp van kwantummechanische modellering, de onderzoekers hebben ook vastgesteld hoe elektronen door de 2D-materiaallagen bewegen, om volledig te begrijpen hoe de baanbrekende apparaten in de toekomst kunnen worden aangepast.

Paper co-auteur, Professor Mark Fromhold, Hoofd van de School of Physics and Astronomy zei:"Door fundamentele concepten in de kwantumfysica te koppelen aan state-of-the-art-engineering, we hebben laten zien hoe complexe apparaten voor het regelen van elektriciteit en licht kunnen worden gemaakt door lagen materiaal te printen die slechts een paar atomen dik zijn maar centimeters breed.

"Volgens de wetten van de kwantummechanica, waarin de elektronen fungeren als golven in plaats van deeltjes, we vonden dat elektronen in 2D-materialen langs complexe banen tussen meerdere vlokken reizen. Het lijkt alsof de elektronen van de ene vlok naar de andere springen als een kikker die tussen overlappende waterlelies op het oppervlak van een vijver springt."

De studie, 'Inter-Flake Quantum Transport van elektronen en gaten in inkjet-geprinte grafeenapparaten', is gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

Vaak omschreven als een 'supermateriaal', grafeen werd voor het eerst gemaakt in 2004. Het vertoont veel unieke eigenschappen, waaronder sterker dan staal, zeer flexibel en de beste geleider van elektriciteit ooit gemaakt.

Tweedimensionale materialen zoals grafeen worden meestal gemaakt door achtereenvolgens een enkele laag koolstofatomen te exfoliëren - gerangschikt in een vlakke plaat - die vervolgens worden gebruikt om op maat gemaakte structuren te produceren.

Echter, lagen produceren en ze combineren om complexe, sandwichachtige materialen waren moeilijk en vereisten gewoonlijk een nauwgezette afzetting van de lagen één voor één en met de hand.

Sinds zijn ontdekking, er is een exponentiële groei geweest in het aantal patenten op grafeen. Echter, om zijn potentieel ten volle te benutten, schaalbare productietechnieken moeten worden ontwikkeld.

Het nieuwe artikel laat zien dat additive manufacturing – beter bekend als 3D-printen – met behulp van inkten, waarin minuscule vlokken grafeen (enkele miljardsten van een meter in doorsnee) hangen, biedt een kansrijke oplossing.

Door geavanceerde productietechnieken te combineren om apparaten te maken, samen met geavanceerde manieren om hun eigenschappen te meten en kwantumgolfmodellering, heeft het team precies uitgewerkt hoe inkjet-geprint grafeen met succes enkellaags grafeen kan vervangen als contactmateriaal voor 2D-metalen halfgeleiders.

co-auteur, Dr. Lyudmila Turyanska van het Centrum voor Additieve Productie, zei, "Terwijl 2D-lagen en apparaten al eerder in 3D zijn geprint, dit is de eerste keer dat iemand heeft vastgesteld hoe elektronen er doorheen bewegen en mogelijke toepassingen voor de gecombineerde, bedrukte lagen. Onze resultaten kunnen leiden tot diverse toepassingen voor inkjet-geprinte grafeen-polymeercomposieten en een reeks andere 2D-materialen. De bevindingen kunnen worden gebruikt om een ​​nieuwe generatie functionele opto-elektronische apparaten te maken; bijvoorbeeld, grote en efficiënte zonnecellen; draagbaar, flexibele elektronica die wordt aangedreven door zonlicht of de beweging van de drager; misschien zelfs gedrukte computers."

De studie werd uitgevoerd door ingenieurs van het Center for Additive Manufacturing en natuurkundigen van de School of Physics and Astronomy met een gemeenschappelijke interesse in kwantumtechnologieën, onder de door EPSRC gefinancierde programmabeurs van £ 5,85 miljoen, Additive Manufacturing van de volgende generatie mogelijk maken.

De onderzoekers gebruikten een breed scala aan karakteriseringstechnieken, waaronder micro-Raman-spectroscopie (laserscanning), thermische zwaartekrachtanalyse, een nieuw 3D orbiSIMS-instrument en elektrische metingen - om gedetailleerd structureel en functioneel begrip te bieden van inkjet-geprinte grafeenpolymeren, en de effecten van warmtebehandeling (gloeien) op de prestaties.

De volgende stappen voor het onderzoek zijn om de afzetting van de vlokken beter te beheersen door polymeren te gebruiken om de manier waarop ze rangschikken en uitlijnen te beïnvloeden en verschillende inkten met verschillende vlokkengroottes te proberen. De onderzoekers hopen ook meer geavanceerde computersimulaties te ontwikkelen van de materialen en de manier waarop ze samenwerken, manieren ontwikkelen om de apparaten die ze prototypen massaal te vervaardigen.