Grafeno Impreso por Inyección de Tinta: El Futuro de la Electrónica Impresa en 3D

Investigadores de la Universidad de Nottingham han resuelto el enigma de cómo usar tintas para imprimir en 3D dispositivos electrónicos novedosos con propiedades útiles, como la capacidad de convertir luz en electricidad. Su estudio muestra que es posible inyectar tintas que contienen diminutos copos de materiales 2D como grafeno, para construir y entrelazar las diferentes capas de estas estructuras complejas personalizadas.

Usando modelado cuántico-mecánico, los investigadores también identificaron cómo los electrones se mueven a través de las capas de material 2D, para comprender completamente cómo los dispositivos pueden modificarse en el futuro.

A menudo descrito como un "supermaterial", el grafeno fue creado por primera vez en 2004. Exhibe muchas propiedades únicas incluyendo ser más fuerte que el acero, altamente flexible, y el mejor conductor de electricidad jamás hecho. Materiales bidimensionales como el grafeno usualmente se hacen exfoliando secuencialmente una sola capa de átomos de carbono —arreglados en una hoja plana— que luego se usan para producir estructuras a medida. Sin embargo, producir capas y combinarlas para hacer materiales complejos tipo sándwich ha sido difícil y usualmente ha requerido deposición meticulosa de las capas una a la vez a mano.

"Al vincular conceptos fundamentales en física cuántica con ingeniería de vanguardia, hemos mostrado cómo dispositivos complejos para controlar electricidad y luz pueden hacerse imprimiendo capas de material que son solo unos pocos átomos de espesor pero centímetros de ancho. Según las leyes de la mecánica cuántica, en las que los electrones actúan como ondas en lugar de partículas, encontramos que los electrones en materiales 2D viajan a lo largo de trayectorias complejas entre múltiples copos. Parece como si los electrones saltaran de un copo a otro como una rana saltando entre lirios superpuestos en la superficie de un estanque", dijo el Profesor Mark Fromhold, Jefe de la Escuela de Física y Astronomía.

Desde su descubrimiento, ha habido un crecimiento exponencial en el número de patentes involucrando grafeno. Sin embargo, para explotar completamente su potencial, se necesitan desarrollar técnicas de fabricación escalables. Esta nueva investigación muestra que la fabricación aditiva —impresión 3D— usando tintas, en las que diminutos copos de grafeno (unos pocos milmillonésimas de metro de ancho) están suspendidos, proporciona una solución prometedora. Al combinar técnicas avanzadas de fabricación para hacer dispositivos, junto con formas sofisticadas de medir sus propiedades, y modelado de onda cuántica, el equipo descubrió exactamente cómo el grafeno impreso por inyección de tinta puede reemplazar exitosamente al grafeno de capa única como material de contacto para semiconductores metálicos 2D.

"Mientras capas 2D y dispositivos han sido impresos en 3D antes, esta es la primera vez que alguien ha identificado cómo los electrones se mueven a través de ellos y demostrado usos potenciales para las capas combinadas impresas. Nuestros resultados podrían llevar a diversas aplicaciones para compuestos de grafeno-polímero impresos por inyección de tinta y una gama de otros materiales 2D. Los hallazgos podrían emplearse para hacer una nueva generación de dispositivos optoelectrónicos funcionales; por ejemplo, celdas solares grandes y eficientes; electrónica vestible flexible alimentada por luz solar o movimiento del usuario; quizás incluso computadoras impresas", dijo la Dra. Lyudmila Turyanska.

Los investigadores usaron una amplia gama de técnicas de caracterización incluyendo micro-espectroscopía Raman (escaneo láser), análisis de gravedad térmica, un instrumento novedoso 3D orbiSIMS, y mediciones eléctricas, para proporcionar comprensión estructural y funcional detallada de polímeros de grafeno impreso por inyección de tinta y los efectos del tratamiento térmico (recocido) en el rendimiento.

Los próximos pasos para la investigación son controlar mejor la deposición de los copos usando polímeros para influir en cómo se arreglan y alinean y probando diferentes tintas con una gama de tamaños de copos. Los investigadores también esperan desarrollar simulaciones computacionales más sofisticadas de los materiales y cómo trabajan juntos, desarrollando formas de fabricar en masa los dispositivos que prototipan.