Cientistas pintam componentes de nanotubos de carbono com estêncil para eletrônicos transparentes e flexíveis

Um filme de nanotubo de carbono de parede única em forma de malha em um substrato (esquerda) poderia servir como um eletrodo óptico (canto superior direito) para eletrônicos transparentes flexíveis ou uma rede de difração (canto inferior direito) para comunicação 6G. Crédito:Adaptado de Ilya Novikov et al./Chemical Engineering Journal

Pesquisadores da Skoltech, MIPT e outros lugares encontraram uma maneira rápida e barata de criar padrões geométricos em filmes de nanotubos de carbono. Os filmes resultantes revelaram ter propriedades superiores para a fabricação de componentes para dispositivos de comunicação 6G e eletrônicos flexíveis e transparentes, como rastreadores de saúde vestíveis. O método de padronização é detalhado em um artigo no Chemical Engineering Journal .

Como outros materiais, os nanotubos de carbono possuem vários níveis de organização. No nível atômico, um nanotubo de parede única pode ser visualizado como uma folha 2D de átomos de carbono (grafeno) enrolada em um cilindro. Esses cilindros podem aderir uns aos outros, formando fibras mais espessas.

As fibras podem se interconectar em uma vasta rede 3D porosa, possivelmente revestindo alguma superfície como uma camada fina – um filme de nanotubos de carbono. Você pode dar um passo além e modificar o próprio filme, por exemplo, removendo parte de seu material e impondo-lhe assim um padrão geométrico.

"Nossa equipe descobriu uma maneira muito eficiente de fazer isso e a usou para criar um filme de nanotubos de carbono em forma de malha. Isso costumava ser conseguido queimando literalmente muitos buracos em um filme. A ideia é tornar o filme mais transparente em o custo de alguma condutividade elétrica.

“Acabamos com um condutor transparente que pode dobrar, e essa é basicamente a definição de um eletrodo óptico para dispositivos eletrônicos transparentes e flexíveis, como biossensores que monitoram a frequência cardíaca, a respiração e a oxigenação do sangue do usuário”, disse o coautor do estudo, Assistant. O professor Dmitry Krasnikov, da Skoltech Photonics, disse, acrescentando que a estrutura da malha também pode servir como uma rede de difração – um componente potencialmente útil na recepção de sinal 6G.

A partir de agora, existem dois métodos principais para produzir filmes padronizados de nanotubos de carbono. Ou você faz um filme contínuo e faz furos nele, sacrificando até 90% do material, o que claramente não é muito econômico. Ou então, uma litografia realmente fina deve ser usada para fabricar o filme padronizado a partir do zero.

Mas esse processo também é bastante caro e complexo, envolvendo múltiplas etapas e o uso de soluções líquidas, que tendem a contaminar o filme com impurezas e comprometer suas propriedades.

“Nossa abordagem tem uma série de vantagens”, explicou o principal investigador do estudo, professor Albert Nasibulin, da Skoltech Photonics. "É reprodutível, bastante rápido, barato e versátil. Não são utilizadas soluções líquidas, o que torna o método mais limpo e garante alta qualidade. Na verdade, a relação transparência-condutividade da malha - que é a sua principal figura de mérito até agora no que diz respeito aos eletrodos ópticos - é 12 vezes melhor do que um filme contínuo.

"Por esse motivo, a nova técnica supera a litografia fina e está no mesmo nível da abordagem comparativamente desperdiçadora, em que você queima - e perde! - o material extra. Além disso, podemos criar outros padrões além de malhas."

Então, como isso funciona? Primeiro, os pesquisadores fazem um modelo de cobre do padrão – neste caso, uma malha quadrada – cortando-o de uma folha de cobre com um laser. Eles então pegam um filtro de membrana de nitrocelulose, cobrem-no com o molde e espalham partículas de cobre sobre ele, criando efetivamente um padrão complementar.

Se você depositar nanotubos de carbono no filtro, eles assumirão o padrão de malha pretendido, porque o cobre pulverizado os repele. E como o filme padronizado resultante não adere ao cobre nem à nitrocelulose, é fácil transferi-lo para outro substrato simplesmente pressionando um pedaço de borracha, vidro ou outro material no filtro.

Os cientistas testaram as propriedades de difração das grades, preparadas como malhas 2D sobre uma fina camada de material elástico (elastômero). Um espectrômetro terahertz registrou claramente os picos de difração familiares da parte de óptica de qualquer curso de física geral, apenas que esses picos foram observados não na luz visível, mas na banda de frequência THz, que corresponde a comprimentos de onda de cerca de 1 milímetro e é intermediário entre a luz infravermelha e microondas.

Os pesquisadores alongaram o substrato elástico, variando assim o período da rede, e registraram as mudanças de pico de difração associadas em estrita conformidade com as leis ópticas conhecidas.

"A facilidade, simplicidade e custo relativamente baixo de fabricação de estruturas baseadas em filmes de nanotubos, combinados com o método eficiente de espectroscopia THz quase-óptica (usando feixe de radiação THz incidente em espaço aberto) permitem vastas oportunidades para fabricação e teste de desempenho de todos os tipos de estrutura bidimensional baseada em nanotubos, que poderia ser incorporada em vários dispositivos e componentes usando radiação THz", comentou o co-autor do estudo Boris Gorshunov, que dirige o Laboratório de Espectroscopia Terahertz no MIPT.

A equipe irá em breve relatar experimentos semelhantes com padrões geométricos diferentes de malhas – círculos concêntricos e espirais – para imagens avançadas de THz. Isto se refere a uma tecnologia segura e não invasiva para triagem de segurança e exames médicos que depende da radiação na faixa entre as microondas e a luz infravermelha.

Mais informações: Ilya V. Novikov et al, Fast liquid-free padronização de filmes SWCNT para aplicações eletrônicas e ópticas, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.149733
Informações do diário: Jornal de Engenharia Química

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