Grafeno Impresso por Jato de Tinta: O Futuro da Eletrônica Impressa em 3D

Pesquisadores da Universidade de Nottingham resolveram o enigma de como usar tintas para imprimir em 3D novos dispositivos eletrônicos com propriedades úteis, como capacidade de converter luz em eletricidade. Seu estudo mostra que é possível ejetar tintas contendo minúsculos flocos de materiais 2D como grafeno, para construir e interconectar as diferentes camadas destas estruturas complexas personalizadas.

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

Frequentemente descrito como um 'super material', o grafeno foi criado pela primeira vez em 2004. Exibe muitas propriedades únicas incluindo ser mais forte que aço, altamente flexível, e o melhor condutor de eletricidade já feito. Materiais bidimensionais como grafeno são geralmente feitos por esfoliação sequencial de uma única camada de átomos de carbono — arranjados em uma folha plana — que são então usados para produzir estruturas personalizadas. No entanto, produzir camadas e combiná-las para fazer materiais complexos tipo sanduíche tem sido difícil e geralmente requer deposição meticulosa das camadas uma a uma à mão.

"Ao vincular conceitos fundamentais em física quântica com engenharia de ponta, mostramos como dispositivos complexos para controlar eletricidade e luz podem ser feitos imprimindo camadas de material que são apenas alguns átomos de espessura mas centímetros de largura. De acordo com as leis da mecânica quântica, nas quais os elétrons agem como ondas em vez de partículas, descobrimos que elétrons em materiais 2D viajam ao longo de trajetórias complexas entre múltiplos flocos. Parece como se os elétrons saltassem de um floco para outro como uma rã saltando entre vitórias-régia sobrepostas na superfície de um lago", disse o Professor Mark Fromhold, Chefe da Escola de Física e Astronomia.

Desde sua descoberta, houve um crescimento exponencial no número de patentes envolvendo grafeno. No entanto, para explorar totalmente seu potencial, técnicas de manufatura escaláveis precisam ser desenvolvidas. Esta nova pesquisa mostra que manufatura aditiva — impressão 3D — usando tintas, nas quais minúsculos flocos de grafeno (alguns bilionésimos de metro de largura) são suspensos, fornece uma solução promissora. Combinando técnicas avançadas de manufatura para fazer dispositivos, junto com formas sofisticadas de medir suas propriedades, e modelagem de onda quântica, a equipe descobriu exatamente como grafeno impresso por jato de tinta pode substituir com sucesso grafeno de camada única como material de contato para semicondutores metálicos 2D.

"Enquanto camadas 2D e dispositivos foram impressos em 3D antes, esta é a primeira vez que alguém identificou como elétrons se movem através deles e demonstrou usos potenciais para as camadas combinadas impressas. Nossos resultados poderiam levar a diversas aplicações para compósitos de grafeno-polímero impressos por jato de tinta e uma gama de outros materiais 2D. Os achados poderiam ser empregados para fazer uma nova geração de dispositivos optoeletrônicos funcionais; por exemplo, células solares grandes e eficientes; eletrônicos vestíveis flexíveis alimentados por luz solar ou movimento do usuário; talvez até computadores impressos", disse Dra. Lyudmila Turyanska.

Os pesquisadores usaram uma ampla gama de técnicas de caracterização incluindo microespectroscopia Raman (varredura a laser), análise termogravimétrica, um novo instrumento 3D orbiSIMS, e medições elétricas, para fornecer entendimento estrutural e funcional detalhado de polímeros de grafeno impressos por jato de tinta e os efeitos do tratamento térmico (recocimento) no desempenho.

Os próximos passos para a pesquisa são controlar melhor a deposição dos flocos usando polímeros para influenciar a forma como eles se arranjam e alinham e tentando diferentes tintas com uma gama de tamanhos de flocos. Os pesquisadores também esperam desenvolver simulações de computador mais sofisticadas dos materiais e a forma como eles trabalham juntos, desenvolvendo formas de manufatura em massa dos dispositivos que prototipam.