Marker-inkt transformeert in grafeengebaseerd elektrisch circuit voor goedkope sensoren

Het eerste geval van een elektrisch circuit gemaakt met een eenvoudige marker en een laserstraal laat zien dat eenvoudige en duurzame materialen innovatieve toepassingen op elk oppervlak kunnen genereren, zoals een koffiekopje.

Een onderzoeksgroep gecoördineerd door Francesco Greco, universitair hoofddocent bio-engineering aan de Sant’anna School of Advanced Studies in PISA, heeft de inkt van een rode markerpen getransformeerd in een op grafeen gebaseerd elektrisch circuit. De studie, gepubliceerd in het dagboek Geavanceerde wetenschapis het resultaat van een samenwerking tussen de Sant’anna School, Graz University of Technology, CSGI – Center voor colloïde en oppervlaktewetenschap, de Universiteit van Florence en Istituto Italiano di Tecnologia.

“Een laserstraal doorgeven over de inkt transformeert deze in een vorm van poreuze en geleidende koolstof genaamd ‘laser-geïnduceerd grafeen’ (LIG). Tot nu toe geloofden we dat het mogelijk was om deze lig alleen te verkrijgen van bepaalde plastic materialen en polymeren, en dit is op de een of andere manier beperkt de toepassingen. Een inkt of verf, een inkt of verf, grecka. Ze vertegenwoordigen ook een economisch gunstige alternatief,” een economisch gunstige alternatief.

Van inkt tot grafeen: de rol van de kleurstof genaamd eosin

De studie – als onderdeel van het Europees Project 5dnanoprinting – werd geboren uit een alledaags object: een rode marker, zoals die u koopt in briefpapierwinkels, gebruikt voor het schrijven op whiteboards. Deze rode marker bevat een specifieke kleurstof genaamd eosine, die een chemische structuur heeft die vergelijkbaar is met die van grafeen en zeer temperatuurstabiel is.

De eerste die de specifieke kenmerken van de Eosin -kleurstof opmerkte, was Alexander Dallinger, Postdoc aan het Institute of Solid State Physics (University of Graz). Dallinger observeerde het vreemde gedrag van de inkten wanneer het wordt bestraald door een laser.

“De eerste ontdekking gebeurde toevallig. Ik probeerde laserschrijven op andere materialen, zonder succes. Geen van hen werd omgezet in geleidend grafeen. Ik had op een van de monsters geschreven met een rode marker om het te herkennen. Per ongeluk (of geluk?), De laserstraal ging over het schrijven. Op dat moment zag ik een zwarte trace verschijnen.

“Geïntrigeerd, ik heb het onmiddellijk geanalyseerd: het spoor was geleidend en het was grafeen. Dit leidde tot veel vragen: waar is de marker -inkt gemaakt? Waarom werkt dat marker en anderen niet? Wat is het geheime ingrediënt? Deze vragen waren het startpunt voor de hele studie en de ontdekkingen die tot deze publicatie leidden,” zegt Dallinger.

De benadering ‘Paint & Scribe’: een elektrisch circuit kan op elk oppervlak worden gemaakt

Om de kleur in een circuit te transformeren, moesten de eerste stappen die de onderzoeksgroep hebben genomen het ontwerp van het elektronische circuit op een computer definiëren en de kleur op een oppervlak van hun keuze te traceren (het kan bijvoorbeeld een vel papier, een koffiekopje of een bril zijn).

Nadat deze acties waren gedefinieerd, volgde een lasermachine het door de computer gegenereerde ontwerp op het gekleurde oppervlak. Bij blootstelling aan de laser werd de eosine -kleurstof chemisch omgezet in grafeen, een geleidend materiaal.

“Deze benadering, genaamd ‘Paint & Scribe’, integreert een op grafeen gebaseerd elektrisch circuit op elk oppervlak, geïnduceerd door een laser. Verf een object en geef de laser eroverheen en u krijgt een circuit. Het is een innovatief systeem, gezien het feit dat tot nu toe op grafeen gebaseerde elektrische circuits alleen werden verkregen op polymere precursors,” verklaart Greco.

Pisa-Firenze-Graz: The Innovation Triangle

Rodorico Giorgi en Rachel Camerini, respectievelijk universitair hoofddocent en postdoc bij het Department of Chemistry Ugo Schiff van de Universiteit van Florence en de CSGI-Center voor Colloid en Surface Science, speelden ook een fundamentele rol in de studie. Hun ervaring op het gebied van kleuren en pigmentchemie was essentieel voor het analyseren van de samenstelling van de inkten en het identificeren van de kleurstoffen die verantwoordelijk zijn voor de vorming van grafeen.

“We werken op het gebied van cultureel erfgoed, bestuderen de kwestie en de transformaties ervan. Het is verrassend hoe kennis van de eigenschappen van organische kleurstoffen plotseling de sleutel blijkt te zijn om een ​​fenomeen te interpreteren dat nog nooit eerder is gezien. Je weet veel dingen, maar je kunt alles niet uitleggen.

Mogelijke toepassingen

“Ik geloof dat onze studie een voorbeeld is van hoe wetenschappelijke nieuwsgierigheid onverwacht kan leiden tot praktische en applicatieve implicaties. In feite is deze studie, naast het analyseren waarom alleen sommige kleurstoffen geschikt zijn voor transformatie in LIG, deze methode voorstelt voor het realiseren van circuits en sensoren op elk oppervlak,” zegt Greco.

“In plaats van het installeren van circuits of sensoren (vaak zwaar, duur en omvangrijk) op de te sensoriseerde objecten, kunnen we nu denken aan het ‘schrijven’ van ze rechtstreeks waar ze nodig zijn. Dit kan een boost geven aan applicaties in veel sectoren: afdrukbare elektronica, biomedische sensoren, robotica, automatisering, milieu -sensoren. We werken al aan sommige van deze toepassingen.

“We zijn ook begonnen met het bestuderen van andere kleurstoffen die zijn afgeleid van natuurlijke materialen, met als doel groene elektronica te creëren,” concludeert Greco.