Na próxima vez que você fizer seu pedido de café, imagine colocar em seu copo para viagem um adesivo que funciona como um decalque eletrônico, permitindo que você saiba a temperatura precisa do seu café com leite sem espuma triplo venti. Algum dia, a estampagem de alta tecnologia que produz esse adesivo também pode nos trazer embalagens de alimentos que exibem uma contagem regressiva digital para alertar sobre produtos estragando, ou até mesmo um painel de janela que mostra a previsão do dia, com base em medições das condições meteorológicas no exterior.

Os engenheiros do MIT inventaram um método rápido, processo de impressão preciso que pode tornar essas superfícies eletrônicas uma realidade barata. Em um artigo publicado hoje em Avanços da Ciência , os pesquisadores relatam que fabricaram um selo feito de florestas de nanotubos de carbono capaz de imprimir tintas eletrônicas em superfícies rígidas e flexíveis.

A. John Hart, o Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira da Mitsui em Tecnologia Contemporânea e Engenharia Mecânica no MIT, diz que o processo de estampagem da equipe deve ser capaz de imprimir transistores pequenos o suficiente para controlar pixels individuais em monitores de alta resolução e telas sensíveis ao toque. A nova técnica de impressão também pode oferecer um relativamente barato, maneira rápida de fabricar superfícies eletrônicas para aplicações ainda desconhecidas.

"Há uma grande necessidade de impressão de dispositivos eletrônicos que são extremamente baratos, mas fornecem cálculos simples e funções interativas, "Diz Hart." Nosso novo processo de impressão é uma tecnologia que possibilita alto desempenho, eletrônica totalmente impressa, incluindo transistores, superfícies opticamente funcionais, e sensores onipresentes. "

Sanha Kim, um pós-doutorado nos departamentos de Engenharia Mecânica e Engenharia Química do MIT, é o autor principal, e Hart é o autor sênior. Seus co-autores são estudantes de graduação em engenharia mecânica Hossein Sojoudi, Hangbo Zhao, e Dhanushkodi Mariappan; Gareth McKinley, o Professor da Escola de Engenharia de Inovação de Ensino; e Karen Gleason, professor de engenharia química e reitor associado do MIT.

Um selo de pequenas penas de caneta

Nos últimos anos, houve outras tentativas de imprimir superfícies eletrônicas usando técnicas de impressão a jato de tinta e estampagem de borracha, mas com resultados difusos. Como essas técnicas são difíceis de controlar em escalas muito pequenas, eles tendem a produzir padrões de "anéis de café" onde a tinta transborda das bordas, ou impressões irregulares que podem levar a circuitos incompletos.

"Existem limitações críticas para os processos de impressão existentes no controle que eles têm sobre o tamanho do recurso e a espessura da camada que é impressa, "Hart diz." Para algo como um transistor ou filme fino com propriedades elétricas ou ópticas específicas, essas características são muito importantes. "

Hart e sua equipe procuraram imprimir eletrônicos com muito mais precisão, projetando selos "nanoporosos". (Imagine um carimbo que é mais esponjoso do que borracha e encolheu até o tamanho de uma unha mindinho, com características padronizadas que são muito menores do que a largura de um cabelo humano.) Eles raciocinaram que o carimbo deveria ser poroso, para permitir uma solução de nanopartículas, ou "tinta, "para fluir uniformemente através do selo e em qualquer superfície a ser impressa. Projetado desta forma, o carimbo deve atingir uma resolução muito maior do que a impressão de carimbo convencional, referido como flexografia.

Kim e Hart encontraram o material perfeito para criar seu selo altamente detalhado:nanotubos de carbono - fortes, folhas microscópicas de átomos de carbono, dispostos em cilindros. O grupo de Hart se especializou no cultivo de florestas de nanotubos alinhados verticalmente em padrões cuidadosamente controlados que podem ser transformados em selos altamente detalhados.

"É um tanto fortuito que a solução para impressão de alta resolução de eletrônicos aproveite nossa experiência na fabricação de nanotubos de carbono por muitos anos, "Hart diz." As florestas de nanotubos de carbono podem transferir tinta para uma superfície como um grande número de pequenas penas de caneta. "

Circuitos de impressão, rolo a rolo

Para fazer seus selos, os pesquisadores usaram técnicas desenvolvidas anteriormente pelo grupo para fazer crescer os nanotubos de carbono em uma superfície de silício em vários padrões, incluindo hexágonos em forma de favo de mel e designs em forma de flor. Eles revestiram os nanotubos com uma fina camada de polímero (desenvolvida pelo grupo de Gleason) para garantir que a tinta penetrasse na floresta de nanotubos e os nanotubos não encolhessem depois que a tinta fosse carimbada. Em seguida, eles infundiram o selo com um pequeno volume de tinta eletrônica contendo nanopartículas, como prata, óxido de zinco, ou pontos quânticos semicondutores.

A chave para imprimir minúsculos, preciso, os padrões de alta resolução estão na quantidade de pressão aplicada para carimbar a tinta. A equipe desenvolveu um modelo para prever a quantidade de força necessária para estampar uma camada uniforme de tinta em um substrato, dada a aspereza da estampa e do substrato, e a concentração de nanopartículas na tinta.

Para ampliar o processo, Mariappan construiu uma máquina de impressão, incluindo um rolo motorizado, e anexado a ele vários substratos flexíveis. Os pesquisadores fixaram cada carimbo em uma plataforma presa a uma mola, que eles usaram para controlar a força usada para pressionar o selo contra o substrato.

“Este seria um processo industrial contínuo, onde você teria um selo, e um rolo no qual você teria um substrato no qual deseja imprimir, como um carretel de filme plástico ou papel especializado para eletrônicos, "Hart diz." Nós encontramos, limitado pelo motor que usamos no sistema de impressão, poderíamos imprimir a 200 milímetros por segundo, continuamente, que já é competitivo com as taxas de tecnologias de impressão industrial. Esse, combinado com uma melhoria dez vezes maior na resolução de impressão que demonstramos, é encorajador. "

Depois de estampar padrões de tinta de vários designs, a equipe testou a condutividade elétrica dos padrões impressos. Após o recozimento, ou aquecimento, os designs após a estampagem - uma etapa comum na ativação de recursos eletrônicos - os padrões impressos eram de fato altamente condutores, e poderia servir, por exemplo, como eletrodos transparentes de alto desempenho.

Daqui para frente, Hart e sua equipe planejam buscar a possibilidade de uma eletrônica totalmente impressa.

"Outro próximo passo empolgante é a integração de nossas tecnologias de impressão com materiais 2-D, como o grafeno, que juntos podem permitir novos, dispositivos eletrônicos ultrafinos e de conversão de energia, "Hart diz.