Een afdrukbare inkt die zowel geleidend als transparant is, blokkeert ook radiogolven

Een printbare inkt met een onovertroffen geleiding en transparantie is ontwikkeld door een KAUST-team voor gebruik in zonnepanelen en voor het nieuwe blokkeren van elektromagnetische golven.

Metalen, zoals koper en goud, genereren weinig warmte als er stroom doorheen gaat. Om deze reden worden deze hooggeleidende materialen op grote schaal gebruikt in de elektronica-industrie. Een andere eigenschap van deze metalen is de ondoorzichtigheid: ze reflecteren licht in plaats van het door te laten. Maar transparantie is een nuttige eigenschap in elektronische apparaten die elektromagnetische straling genereren, detecteren of manipuleren.

Hoewel er materialen zijn die zowel transparant als geleidend zijn, moet er meestal een compromis worden gesloten. “Een typisch probleem met optisch transparante geleiders is dat hun geleidbaarheid laag is, en naarmate de transparantie toeneemt, verslechtert de geleidbaarheid verder of omgekeerd”, legt elektrotechnisch ingenieur Atif Shamim uit.

Shamim en Weiwei Li, een postdoctoraal onderzoeker in zijn groep, ontwikkelden de geleidende inkt door zilveren nanodraden te verspreiden in een polymeeroplossing. In samenwerking met een ander KAUST-team onder leiding van Thomas Anthopoulos, verbeterden ze de optische en elektrische eigenschappen van deze inkt met behulp van een behandeling die bekend staat als xenonflitslichtsintering. “Zilveren nanodraden worden doorgaans gevormd door meerdere verwerkingsstappen en de patroongrootte is vrij beperkt”, zegt Shamim. “We demonstreren de patroonvorming met een groot oppervlak en hoge doorvoer van zilveren nanodraden in een enkele stap.”

De inkt kan een belangrijke toepassing vinden in opto-elektronische toepassingen, zoals zonnecellen. Maar Shamim en zijn collega Khaled Salama gebruikten het in een apparaat voor een andere toepassing: het blokkeren van elektromagnetische golven. Naarmate de samenleving steeds meer afhankelijk wordt van draadloze communicatie, nemen ook de gevaren van systeemstoringen als gevolg van interferentie toe. En er zijn ook onbeantwoorde vragen over de impact ervan op de menselijke gezondheid, met name voor pasgeboren baby’s en kwetsbare patiënten.

Met deze zorgen in gedachten hebben Shamim en het team een ​​structuur gemaakt die bekend staat als een frequentieselectief oppervlak (FSS). Zoals de naam suggereert, reflecteert dit elektromagnetische golven met een bepaalde frequentie, terwijl anderen erdoorheen gaan. Het KAUST-team heeft een FSS gemaakt door hun op maat gemaakte geleidende inkt in een eenvoudig herhalend patroon op een flexibel polymeersubstraat te deponeren.

Experimentele karakterisering van de FSS toonde behoorlijke reflectieprestaties over twee banden in het radiofrequente deel van het elektromagnetische spectrum. En belangrijker nog, terwijl typische FSS’en alleen golven blokkeren met een bepaalde polarisatie die uit een bepaalde richting komen, was de KAUST FSS ongevoelig voor de polarisatie van de radiogolven en waren de prestaties stabiel over een breed scala aan invalshoeken. Een ander positief punt is dat de geprinte FSS volledig flexibel was: de respons ging niet achteruit toen het materiaal werd opgerold.

Om de praktische toepasbaarheid van hun schild te demonstreren, plaatsten ze een mobiele telefoon in een doos die onder de FSS viel en observeerden ze een aanzienlijke vermindering van de signaalsterkte. “Op basis van deze veelbelovende resultaten zijn we van plan om onze toepassingen voor flexibele, transparante, hoogwaardige elektronische apparaten uit te breiden”, zegt Shamim. “We willen bijvoorbeeld de dunne transparante FSS toepassen op een glazen incubator in een ziekenhuisomgeving en experimenten uitvoeren met elektromagnetische afscherming om ons ontwerp in een echte omgeving verder te karakteriseren.”