Naukowcy z powodzeniem nadrukowali dwuwymiarowe materiały, takie jak grafen (pojedyncza warstwa węgla ułożonego w sześciokątną siatkę), bezpośrednio na tkaninie, umożliwiając tym sposobem wytwarzanie zintegrowanych obwodów elektronicznych, które można nosić na ciele. Wykorzystany proces nadruku strumieniowego bazował na standardowych technikach, dzięki czemu produkcja tej nowej elektroniki na tkaninach może być zrównoważona, opłacalna i skalowalna.
Doskonalenie nadruku materiału 2D
W artykule opublikowanym w czasopiśmie
Nature Communications naukowcy opisują, jak opracowali nietoksyczne tusze o niskiej temperaturze wrzenia, które nadrukowali bezpośrednio na tkaninę poliestrową. Proces ten dowiódł wykonalności zintegrowanych obwodów nadrukowywanych na odzież, które są w stanie pracować w temperaturze pokojowej i ciśnieniu pokojowym. Istotną cechą wyróżniającą podejście przyjęte przez zespół jest przejście od konwencjonalnego procesu, w którym łączone są odrębne tranzystory, do nadrukowania całego zintegrowanego obwodu elektronicznego.
Zespół odkrył, że chropowatość powierzchni tkaniny obniża właściwości elektryczne urządzeń elektronicznych, ale wygładzenie tkaniny za pomocą tzw. „warstwy spłaszczającej” pozwala podnieść wydajność nadrukowywanych urządzeń.
Jedną z głównych zalet tego rozwiązania wobec alternatyw jest jego uniwersalność. Większość urządzeń elektronicznych na odzieży składa się z dosyć sztywnych komponentów, które są następnie nakładane na materiały stosowane w odzieży, takie jak tkaniny, tworzywa sztuczne czy guma. Takie rozwiązania bywają jednak niezbyt praktyczne, ponieważ obniżają komfort i cechują się słabym przystosowaniem do ciała człowieka, uniemożliwiając np. oddychanie odzieży. Może także dochodzić do ich łatwego uszkodzenia podczas prania. Produkt opracowany przez zespół jest natomiast wygodny do noszenia i może przetrwać do 20 cykli prania w standardowej pralce.
Jak powiedział w wywiadzie dla serwisu
EurekAlert dr Felice Torrisi z Cambridge Graphene Centre, naczelny autor artykułu, kolejną zaletą techniki opracowanej przez zespół jest to, że „inne tusze do drukowanej elektroniki zwykle wymagają toksycznych rozpuszczalników i nie nadają się do noszenia, podczas gdy nasze tusze są tanie, bezpieczne i przyjazne dla środowiska, a ponadto można je łączyć w celu tworzenia obwodów elektronicznych po prostu nadrukowując różne dwuwymiarowe materiały na tkaninę”.
Zespół wykorzystał fakt, że grafen i
sześciokątny azotek boru są cienkimi pod względem atomowym materiałami 2D, które można elastycznie układać w struktury o nowych właściwościach, wykraczających poza te cechujące poszczególne składniki. Oznacza to, że właściwości przewodzenia, izolowania i półprzewodzenia materiałów 2D można opanować i wykorzystać do konkretnych, wymaganych zastosowań.
Skalowalność złożoności i wydajności
Zakres możliwych zastosowań komercyjnych tej technologii jest szeroki: od urządzeń do noszenia na ciele w celu monitorowania stanu zdrowia i dobrostanu użytkownika, po poszerzenie zdolności wojskowych żołnierzy. Jednym z obszarów, który najprawdopodobniej skorzysta na tych nowościach jest internet rzeczy. Jak wybiega w przyszłość dr Torrisi: „Dzięki nanotechnologii nasza odzież mogłaby w przyszłości zostać wyposażona w elektronikę wbudowaną w tkaninę, taką jak wyświetlacze czy czujniki, i stać się interaktywna”.
Wykorzystanie grafenu i innych tuszy z materiałami 2D do tworzenia elektronicznych komponentów i urządzeń, które można w pełni integrować z tkaninami, stanowi awangardę dążeń do stworzenia inteligentnych tkanin. Inteligentne tkaniny można postrzegać jako element szerzej zakrojonych dążeń do dalszego zatarcia granicy między technologią a rzeczami codziennego użytku, co często określa się mianem „wszechobecnej informatyki”.
Autorzy artykułu są członkami konsorcjum Graphene Flagship, paneuropejskiej 10-letniej inicjatywy badawczo-innowacyjnej, wspólnie finansowanej przez UE, państwa członkowskie i kraje stowarzyszone. Ma na celu wspieranie dążeń, które wykorzystują potencjał grafenu i związanych z nim technologii oraz wprowadzać nowe zastosowania na rynek.
Więcej informacji:
Graphene Flagship
poleca:
