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 2-D, como grafeno, para construir e combinar as diferentes camadas desses complexos, estruturas personalizadas.

Usando modelagem mecânica quântica, os pesquisadores também identificaram como os elétrons se movem através das camadas de material 2-D, para entender completamente como os dispositivos inovadores podem ser modificados no futuro.

Coautor do artigo, Professor Mark Fromhold, O chefe da Escola de Física e Astronomia disse:"Ao unir conceitos fundamentais da física quântica com a engenharia de ponta, mostramos como dispositivos complexos para controlar eletricidade e luz podem ser feitos imprimindo camadas de material com apenas alguns átomos de espessura, mas centímetros de diâmetro.

"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 2-D viajam ao longo de trajetórias complexas entre vários flocos. Parece que os elétrons saltam de um floco para outro, como uma rã pulando entre nenúfares sobrepostos na superfície de um lago. "

O estudo, 'Inter-Flake Quantum Transport of Electrons and Holes in Inkjet-Printed Graphene Devices', foi publicado na revista revisada por pares Materiais Funcionais Avançados .

Muitas vezes descrito como um 'supermaterial', o grafeno foi criado pela primeira vez em 2004. Ele exibe muitas propriedades exclusivas, incluindo ser mais forte do que o aço, altamente flexível e o melhor condutor de eletricidade já feito.

Materiais bidimensionais como o grafeno são geralmente feitos por esfoliação sequencial de uma única camada de átomos de carbono - dispostos em uma folha plana - que são então usados ​​para produzir estruturas sob medida.

Contudo, produzindo camadas e combinando-as para torná-las complexas, Os materiais tipo sanduíche têm sido difíceis e geralmente exigem a deposição meticulosa das camadas, uma de cada vez e à mão.

Desde sua descoberta, houve um crescimento exponencial no número de patentes envolvendo grafeno. Contudo, a fim de explorar totalmente seu potencial, técnicas de manufatura escaláveis ​​precisam ser desenvolvidas.

O novo artigo mostra que a manufatura aditiva - mais comumente conhecida como impressão 3-D - usando tintas, em que minúsculos flocos de grafeno (alguns bilionésimos de metro de diâmetro) são suspensos, fornece 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 2-D.

Coautor, Dra. Lyudmila Turyanska do Centro de Fabricação de Aditivos, disse, "Embora as camadas e dispositivos 2-D tenham sido impressos em 3-D antes, esta é a primeira vez que alguém identificou como os elétrons se movem através deles e demonstrou usos potenciais para o combinado, camadas impressas. Nossos resultados podem levar a diversas aplicações para compostos de polímero de grafeno impressos a jato de tinta e uma variedade de outros materiais 2-D. As descobertas poderiam ser empregadas para fazer uma nova geração de dispositivos optoeletrônicos funcionais; por exemplo, células solares grandes e eficientes; vestível, eletrônicos flexíveis que são alimentados pela luz solar ou pelo movimento do usuário; talvez até computadores impressos. "

O estudo foi realizado por engenheiros do Centro de Fabricação de Aditivos e físicos da Escola de Física e Astronomia com interesse comum em tecnologias quânticas, sob o subsídio do programa financiado pelo EPSRC de £ 5,85 milhões, Habilitando a Manufatura Aditiva de Próxima Geração.

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 uma 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 maneiras de fabricar em massa os dispositivos que prototipam.