A Universidade de Nottingham decifrou o enigma de como usar tintas para imprimir em 3D novos dispositivos eletrônicos com propriedades úteis, como a capacidade de converter luz em eletricidade.
O estudo mostra que é possível jatear tintas, contendo minúsculos flocos de materiais 2D, como o grafeno, para formar e unir as diferentes camadas dessas estruturas complexas e personalizadas.
O gradiente de cor corresponde à variação dos potenciais de flocos. Crédito: University of Nottingham
Usando modelagem mecânica quântica, os pesquisadores também identificaram como os elétrons se movem através das camadas de material 2D, para entender completamente como os dispositivos inovadores podem ser modificados no futuro.
"Ao unir conceitos fundamentais da física quântica com engenharia de ponta, mostramos como dispositivos complexos para controlar eletricidade e luz podem ser feito imprimindo camadas de material que têm apenas alguns átomos de espessura, mas centímetros de diâmetro”, disse o coautor do artigo, Professor Mark Fromhold, chefe da Escola de Física e Astronomia.
"De acordo com as leis da mecânica quântica, em que os elétrons agem como ondas em vez de partículas, descobrimos que os elétrons em materiais 2D viajam ao longo de trajetórias complexas entre vários flocos. Parece que os elétrons saltam de um floco para outro como um sapo pulando entre nenúfares sobrepostos na superfície de um lago", complementou.
O estudo, “Inter-Flake Quantum Transport of Electrons and Holes in Inkjet-Printed Graphene Devices'', foi publicado na revista especializada Advanced Functional Materials.
Frequentemente descrito como um "supermaterial', o grafeno foi criado pela primeira vez em 2004. Ele exibe muitas propriedades exclusivas, incluindo ser mais forte que o aço, altamente flexível e o melhor condutor de eletricidade já feito.
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Materiais bidimensionais como o grafeno são geralmente feitos esfoliando sequencialmente uma única camada de átomos de carbono - dispostos em uma folha plana - que são então usados para produzir estruturas sob medida.
canal de grafeno impresso a jato de tinta. Crédito: University of Nottingham.
No entanto, produzir camadas e combiná-las para fazer materiais complexos semelhantes a sanduíches tem sido difícil e geralmente requer uma deposição meticulosa das camadas, uma de cada vez e à mão.
Desde sua descoberta, houve um crescimento exponencial no número de patentes envolvendo o grafeno. No entanto, para explorar totalmente o seu potencial, técnicas de fabricação escalonáveis precisam ser desenvolvidas.
O novo artigo mostra que a manufatura aditiva - mais comumente conhecida como impressão 3D - usando tintas, em que minúsculos flocos de grafeno (alguns bilionésimos de metro de diâmetro) são suspensos, oferece uma solução promissora.
Ao combinar técnicas de fabricação avançadas para fazer dispositivos junto com maneiras sofisticadas de medir suas propriedades e modelagem de onda quântica, a equipe descobriu exatamente como o grafeno impresso a jato de tinta pode substituir com sucesso o grafeno de camada única como um material de contato para semicondutores metálicos 2D.
"Embora as camadas e dispositivos 2D tenham sido impressos em 3D antes, esta é a primeira vez que alguém identifica como os elétrons se movem através deles e demonstra usos potenciais para as camadas impressas combinadas. Nossos resultados podem levar a diversas aplicações para compósitos de polímero de grafeno impressos a jato de tinta e uma variedade de outros materiais 2-D. As descobertas podem ser empregadas para fazer uma nova geração de dispositivos optoeletrônicos funcionais; por exemplo, células solares grandes e eficientes; dispositivos eletrônicos flexíveis e usáveis que são alimentados pela luz do sol ou pelo movimento do usuário; talvez até mesmo computadores impressos”, disse a coautora do artigo, Dra. Lyudmila Turyanska, do Center for Additive Manufacturing.
O estudo foi realizado por engenheiros do Centro de Manufatura de Aditivos e físicos da Escola de Física e Astronomia com um interesse comum em tecnologias quânticas, no âmbito do Programa de Concessão de £ 5,85 milhões financiado por EPSRC, Enabling Next Generation Additive Manufacturing.
Os pesquisadores usaram uma ampla gama de técnicas de caracterização - incluindo espectroscopia micro-Raman (varredura a laser), análise de gravidade térmica, um novo instrumento orbiSIMS 3-D e medições elétricas - para fornecer compreensão estrutural e funcional detalhada de polímeros de grafeno impressos a jato de tinta, e os efeitos do tratamento térmico (recozimento) no desempenho.
Os próximos passos da pesquisa são controlar melhor a deposição dos flocos usando polímeros para influenciar a forma como eles se organizam e alinham e experimentando tintas diferentes com uma variedade de tamanhos de flocos. Os pesquisadores também esperam desenvolver simulações de computador mais sofisticadas dos materiais e da maneira como trabalham juntos, desenvolvendo formas de fabricação em massa dos dispositivos que prototipam.
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