Usando una mezcla de alcohol, los investigadores modificaron la forma en que se secan las gotas de tinta, lo que permite la impresión barata a escala industrial de dispositivos electrónicos a escalas sin precedentes
¿Alguna vez ha derramado su café sobre su escritorio? Es posible que haya observado uno de los fenómenos más desconcertantes de la mecánica de fluidos: el efecto de anillo de café. Este efecto ha dificultado el despliegue industrial de tintas funcionales con grafeno, materiales 2D y nanopartículas porque hace que los dispositivos electrónicos impresos se comporten de forma irregular.
Ahora, después de estudiar este proceso durante años, un equipo de investigadores ha creado una nueva familia de tintas que supera este problema, permitiendo la fabricación de nueva electrónica como sensores, detectores de luz, baterías y celdas solares.
Los anillos de café se forman porque el líquido se evapora más rápido en los bordes, provocando una acumulación de partículas sólidas que da como resultado el característico anillo oscuro. Las tintas se comportan como el café: las partículas de la tinta se acumulan alrededor de los bordes creando formas irregulares y superficies desiguales, especialmente cuando se imprime en superficies duras como obleas de silicona o plásticos.
Los investigadores, dirigidos por Tawfique Hasan del Centro para el Grafeno de la Universidad de Cambridge, con Colin Bain del Departamento de Química de la Universidad de Durham, y Meng Zhang de la Escuela de Ingeniería Electrónica y de la Información de la Universidad de Beihang, estudiaron la física de las gotas de tinta combinando el seguimiento de partículas en microfotografía de alta velocidad, mecánica de fluidos y diferentes combinaciones de disolventes.
Su solución: alcohol, específicamente una mezcla de alcohol isopropílico y 2-butanol. Al usarlos, las partículas de tinta tienden a distribuirse uniformemente a través de la gota, generando formas con propiedades y espesor uniformes. Sus resultados se publican en la revista Science Advances. El artículo es open acces.
“La forma natural de las gotas de tinta es esférica; sin embargo, debido a su composición, nuestras gotas de tinta adoptan formas de panqueques”, dijo Hasan.
Mientras se seca, las nuevas gotas de tinta se deforman suavemente por la superficie, esparciendo partículas de manera constante. Con esta fórmula universal, los fabricantes podrían adoptar la impresión por inyección de tinta como una estrategia barata y de fácil acceso para la fabricación de sensores y dispositivos electrónicos. Las nuevas tintas también evitan el uso de polímeros o tensioactivos, aditivos comerciales que se utilizan para combatir el efecto del anillo de café, pero que al mismo tiempo frustran las propiedades electrónicas del grafeno y otros materiales 2D.
Lo más importante es que la nueva metodología permite la reproducibilidad y la escalabilidad: los investigadores lograron imprimir 4500 dispositivos casi idénticos en una oblea de silicio y un sustrato de plástico. En particular, imprimieron sensores de gas y fotodetectores, y ambos mostraron muy pocas variaciones en el rendimiento. Anteriormente, imprimir algunos cientos de estos dispositivos se consideraba un éxito, incluso si mostraban un comportamiento desigual.
“Comprender este comportamiento fundamental de las gotas de tinta nos ha permitido encontrar esta solución ideal para la impresión por inyección de tinta de todo tipo de cristales bidimensionales”, dijo el primer autor Guohua Hu. “Nuestra fórmula se puede ampliar fácilmente para imprimir nuevos dispositivos electrónicos en obleas de silicona o plásticos, e incluso en pintura en aerosol y dispositivos portátiles, que ya cumplen o superan los requisitos de fabricación de dispositivos impresos”.
Más allá del grafeno, el equipo ha optimizado más de una docena de fórmulas de tinta que contienen diferentes materiales. Algunos de ellos son 'primos' bidimensionales del grafeno como el fósforo negro y el nitruro de boro, otros son estructuras más complejas como heteroestructuras ('sándwiches' de diferentes materiales 2D) y materiales nanoestructurados. Los investigadores dicen que sus fórmulas de tinta también pueden imprimir nanopartículas puras y moléculas orgánicas. Esta variedad de materiales podría impulsar la fabricación de dispositivos electrónicos y fotónicos, así como catalizadores, células solares, baterías y revestimientos funcionales más eficientes.
El equipo espera ver aplicaciones industriales de esta tecnología muy pronto. Sus primeras pruebas de concepto, sensores impresos y fotodetectores han mostrado resultados prometedores en términos de sensibilidad y consistencia, superando los requisitos habituales de la industria. Esto debería atraer a inversores interesados en productos electrónicos impresos y flexibles.
“Nuestra tecnología podría acelerar la adopción de sensores ultraconectados, económicos y de bajo consumo para la Internet de las cosas”, dijo Hasan. “El sueño de las ciudades inteligentes se hará realidad”.
Fuente: University of Cambridge