Una foresta di nanotubi di carbonio stampa l'inchiostro elettronico su una superficie

Circa una dozzina di anni fa ho scritto un rapporto sul futuro dei nanomateriali nella stampa e nel packaging. Penso che oggi ne esistano copie solo sulla mia libreria, ma nel corso degli anni è servito a informare la mia opinione su come i nanomateriali possono essere applicati a queste aree, contribuendo più recentemente a un pezzo su queste pagine qualche anno fa. La domanda di base: come si fa a inserire un nanomateriale su un imballaggio in modo abbastanza economico da avere senso per quello che è essenzialmente un articolo usa e getta?

Non è stato facile. Ma i ricercatori del MIT credono di aver trovato un metodo di stampaggio robusto e a basso costo che riesce a portare i nanotubi di carbonio su una superficie flessibile in modo che possano fungere da transistor per il controllo dei singoli pixel nei display ad alta risoluzione.

Nella ricerca descritta sulla rivista Science Advances, la tecnica sviluppata per portare i nanotubi di carbonio sulla superficie evita l’uso di tecniche di stampa a getto d’inchiostro, che si ritiene siano molto avanzate in questo spazio applicativo. Si rivolsero invece ad una tecnica di stampa piuttosto antica: il francobollo.

Naturalmente, le tecniche di stampaggio sono state provate in precedenza, ma spesso si sono imbattute nello stesso problema della stampa a getto d'inchiostro: dettagli sfocati, con l'inchiostro che lasciava motivi ad anello di caffè che compromettevano il transistor.

"Ci sono limitazioni critiche ai processi di stampa esistenti nel controllo che hanno sulle dimensioni e sullo spessore dello strato stampato", ha affermato in un comunicato stampa A. John Hart, il professore associato del MIT che ha guidato la ricerca. "Per qualcosa come un transistor o una pellicola sottile con particolari proprietà elettriche o ottiche, tali caratteristiche sono molto importanti."

La soluzione del team prevedeva l'utilizzo di un timbro con una superficie nanoporosa, ovvero ricoperto di fori su scala nanometrica. L'idea di base era che l'inchiostro potesse passare uniformemente attraverso i nanopori e raggiungere la superficie target. Hanno esaminato il catalogo dei nanomateriali e hanno deciso per i cari vecchi nanotubi di carbonio: una foresta di nanotubi.

"È un po' fortuito che la soluzione per la stampa ad alta risoluzione di componenti elettronici sfrutti la nostra esperienza pluriennale nella produzione di nanotubi di carbonio", afferma Hart. "Le foreste di nanotubi di carbonio possono trasferire l'inchiostro su una superficie come un numero enorme di minuscole penne."

Per fabbricare i timbri nanoporosi, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica sviluppata in precedenza. Hanno trasformato i nanotubi di carbonio in modelli sulla superficie del silicio. Hanno poi rivestito i nanotubi con un polimero che ha permesso all’inchiostro di fluire uniformemente attraverso la foresta di nanotubi e ha anche assicurato che i tubi non venissero compressi dall’azione di stampaggio.

Sebbene la superficie nanoporosa abbia rappresentato la grande svolta per questo approccio, i ricercatori hanno presto scoperto che il successo della tecnica dipendeva in gran parte dalla pressione esercitata in modo uniforme sul timbro. Per determinare come applicare al meglio la pressione, i ricercatori hanno anche sviluppato un modello computerizzato predittivo che calcolava la quantità di forza necessaria per lasciare uno strato uniforme di inchiostro sulla superficie del bersaglio.

I ricercatori del MIT hanno già provveduto ad accelerare il processo di produzione sviluppando una macchina da stampa dotata di rullo motorizzato. L'installazione prevedeva semplicemente il posizionamento di vari timbri su una piattaforma collegata a una molla che consentiva ai ricercatori di controllare la quantità di forza applicata.

"Si tratterebbe di un processo industriale continuo, in cui avresti un timbro e un rullo su cui avresti un substrato su cui desideri stampare, come una bobina di pellicola di plastica o carta specializzata per l'elettronica", ha aggiunto Hart. "Abbiamo scoperto che, limitati dal motore che usavamo nel sistema di stampa, potevamo stampare a 200 millimetri al secondo, in modo continuo, che è già competitivo con le velocità delle tecnologie di stampa industriale. Questo, combinato con un miglioramento di dieci volte della la risoluzione di stampa che abbiamo dimostrato è incoraggiante."

Secondo i ricercatori, anche il prodotto finale sembrava essere di buona qualità. Dopo aver ricotto i modelli elettronici, i ricercatori hanno misurato una buona conduttività attraverso i modelli stampati, almeno abbastanza buona da fungere da elettrodi trasparenti ad alte prestazioni.