Ingeniører behandler trykt grafen med lasere for at aktivere papirelektronik

Forskerne i Jonathan Claussens laboratorium ved Iowa State University (som kan lide at kalde sig nanoingeniører) har ledt efter måder at bruge grafen og dets fantastiske egenskaber i deres sensorer og andre teknologier.

Grafen er et vidundermateriale:Kulbikuben er kun et atom tykt. Den er fantastisk til at lede strøm og varme; den er stærk og stabil. Men forskere har kæmpet for at gå ud over små laboratorieprøver for at studere dets materialeegenskaber til større stykker til anvendelse i den virkelige verden.

Nylige projekter, der brugte inkjet-printere til at udskrive flerlags grafenkredsløb og elektroder fik ingeniørerne til at tænke på at bruge det til fleksible, bærbar og billig elektronik. For eksempel, "Kunne vi lave grafen i skalaer, der er store nok til glukosesensorer?" spurgte Suprem Das, en postdoc i Iowa State i maskinteknik og en associeret i det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory.

Men der var problemer med den eksisterende teknologi. Når først udskrevet, grafenen skulle behandles for at forbedre den elektriske ledningsevne og enhedens ydeevne. Det betød normalt høje temperaturer eller kemikalier - begge dele kunne nedbryde fleksible eller engangstrykoverflader såsom plastfilm eller endda papir.

Das og Claussen kom på ideen om at bruge lasere til at behandle grafenet. Claussen, en Iowa State assisterende professor i maskinteknik og en Ames Laboratory associeret, arbejdet med Gary Cheng, en lektor ved Purdue University's School of Industrial Engineering, at udvikle og afprøve ideen.

Og det virkede:De fandt behandling inkjet-printet, flerlags grafen elektriske kredsløb og elektroder med en pulserende laserproces forbedrer den elektriske ledningsevne uden at beskadige papiret, polymerer eller andre skrøbelige trykflader.

"Dette skaber en måde at kommercialisere og opskalere fremstillingen af ​​grafen på, sagde Claussen.

Resultaterne er vist på forsiden af ​​tidsskriftet Nanoskala 's nummer 35. Claussen og Cheng er hovedforfattere, og Das er førsteforfatter. Yderligere Iowa State medforfattere er Allison Cargill, John Hondred og Shaowei Ding, kandidatstuderende i maskinteknik. Yderligere Purdue-medforfattere er Qiong Nian og Mojib Saei, kandidatstuderende i industriteknik.

To store bevillinger støtter projektet og relateret forskning:en treårig bevilling fra National Institute of Food and Agriculture, US Department of Agriculture, under prisnummer 11901762 og et treårigt tilskud fra Roy J. Carver Charitable Trust. Iowa State College of Engineering og afdelingen for maskinteknik støtter også forskningen.

Iowa State Research Foundation Inc. har ansøgt om patent på teknologien.

"Denne projekts gennembrud er at transformere den inkjet-printede grafen til et ledende materiale, der kan bruges i nye applikationer, sagde Claussen.

Disse applikationer kunne omfatte sensorer med biologiske applikationer, energilagringssystemer, elektrisk ledende komponenter og endda papirbaseret elektronik.

For at gøre alt det muligt, ingeniørerne udviklede computerstyret laserteknologi, der selektivt bestråler inkjet-printet grafenoxid. Behandlingen fjerner blækbindere og reducerer grafenoxid til grafen - fysisk syr millioner af små grafenflager sammen. Processen gør den elektriske ledningsevne mere end tusind gange bedre.

"Laseren arbejder med en hurtig puls af højenergifotoner, der ikke ødelægger grafenet eller substratet, " sagde Das. "De varmer lokalt. De bombarderer lokalt. De behandler lokalt."

Det lokaliserede, laserbehandling ændrer også formen og strukturen af ​​den trykte grafen fra en flad overflade til en med hævet, 3-D nanostrukturer. Ingeniørerne siger, at 3D-strukturerne er som små kronblade, der rejser sig fra overfladen. Den ru og rillede struktur øger grafenens elektrokemiske reaktivitet, gør den nyttig til kemiske og biologiske sensorer.

Alt det, ifølge Claussens team af nanoingeniører, kunne flytte grafen til kommercielle applikationer.

"Dette arbejde baner vejen for ikke kun papirbaseret elektronik med grafenkredsløb, " skrev forskerne i deres papir, "det muliggør skabelsen af ​​billige og engangsgrafenbaserede elektrokemiske elektroder til utallige anvendelser, herunder sensorer, biosensorer, brændselsceller og (medicinsk) udstyr."