Tecnologia Científica

Os especialistas em impressão 3-D descobrem como fazer a tecnologia de amanha£ usando grafeno impresso a jato de tinta
O estudo mostra que épossí­vel jatear tintas, contendo minaºsculos flocos de materiais 2-D, como o grafeno , para formar e unir as diferentes camadas dessas estruturas complexas e personalizadas.
Por University of Nottingham - 04/11/2020


Um arranjo representativo de flocos de grafeno em grafeno impresso a jato de tinta entre dois contatos (verde). O gradiente de cor corresponde a  variação dos potenciais de flocos. Crédito: University of Nottingham

A Universidade de Nottingham decifrou o enigma de como usar tintas para imprimir em 3D novos dispositivos eletra´nicos com propriedades aºteis, como a capacidade de converter luz em eletricidade.

O estudo mostra que épossí­vel jatear tintas, contendo minaºsculos flocos de materiais 2-D, como o grafeno , para formar e unir as diferentes camadas dessas estruturas complexas e personalizadas.

Usando modelagem meca¢nica qua¢ntica, os pesquisadores também identificaram como os elanãtrons se movem atravanãs das camadas de material 2-D, para entender completamente como os dispositivos inovadores podem ser modificados no futuro.

O coautor do artigo, Professor Mark Fromhold, chefe da Escola de Fa­sica e Astronomia, disse: "Ao unir conceitos fundamentais da física qua¢ntica com engenharia de ponta, mostramos como dispositivos complexos para controlar eletricidade e luz podem ser feito imprimindo camadas de material que tem apenas alguns a¡tomos de espessura, mas centa­metros de dia¢metro.

"De acordo com as leis da meca¢nica qua¢ntica, em que os elanãtrons agem como ondas em vez departículas, descobrimos que os elanãtrons em materiais 2-D viajam ao longo de trajeta³rias complexas entre vários flocos. Parece que os elanãtrons saltam de um floco para outro como um sapo pulando entre nenaºfares sobrepostos nasuperfÍcie de um lago. "

O estudo, 'Inter-Flake Quantum Transport of Electrons and Holes in Inkjet-Printed Graphene Devices', foi publicado na revista especializada Advanced Functional Materials .

Frequentemente descrito como um 'supermaterial', o grafeno foi criado pela primeira vez em 2004. Ele exibe muitas propriedades exclusivas, incluindo ser mais forte que o aa§o, altamente flexa­vel e o melhor condutor de eletricidade já feito.

"Embora as camadas e dispositivos 2-D tenham sido impressos em 3-D antes, esta éa primeira vez que alguém identifica como os elanãtrons se movem atravanãs deles e demonstra usos potenciais para as camadas impressas combinadas. Nossos resultados podem levar a diversas aplicações para compósitos de pola­mero de grafeno impressos a jato de tinta e uma variedade de outros materiais 2-D. As descobertas podem ser empregadas para fazer uma nova geração de dispositivos optoeletra´nicos funcionais; por exemplo, células solares grandes e eficientes; dispositivos eletra´nicos flexa­veis e usa¡veis ​​que são alimentados pela luz do sol ou pelo movimento do usua¡rio; talvez atémesmo computadores impressos. "


Materiais bidimensionais como o grafeno são geralmente feitos por esfoliação sequencial de uma única camada de a¡tomos de carbono - dispostos em uma folha plana - que são então usados ​​para produzir estruturas sob medida.

Imagem de microscopia a³ptica de um transistor de efeito de campo contendo um canal
de grafeno impresso a jato de tinta. Crédito: University of Nottingham

No entanto, produzir camadas e combina¡-las para fazer materiais complexos semelhantes a sandua­ches tem sido difa­cil e geralmente requer a deposição meticulosa das camadas, uma de cada vez e a  ma£o.

Desde sua descoberta, houve um crescimento exponencial no número de patentes envolvendo o grafeno. No entanto, para explorar totalmente o seu potencial, técnicas de fabricação escalona¡veis ​​precisam ser desenvolvidas.
 
O novo artigo mostra que a manufatura aditiva - mais comumente conhecida como impressão 3-D - usando tintas, em que minaºsculos flocos de grafeno (alguns bilionanãsimos de metro de dia¢metro) são suspensos, oferece uma solução promissora.

Combinando técnicas de fabricação avana§adas para fazer dispositivos junto com maneiras sofisticadas de medir suas propriedades e modelagem de onda qua¢ntica, a equipe descobriu exatamente como o grafeno impresso a jato de tinta pode substituir com sucesso o grafeno de camada única como um material de contato para semicondutores meta¡licos 2-D.

A coautora, Dra. Lyudmila Turyanska, do Center for Additive Manufacturing, disse: "Embora as camadas e dispositivos 2-D tenham sido impressos em 3-D antes, esta éa primeira vez que alguém identifica como os elanãtrons se movem atravanãs deles e demonstra usos potenciais para as camadas impressas combinadas. Nossos resultados podem levar a diversas aplicações para compósitos de pola­mero de grafeno impressos a jato de tinta e uma variedade de outros materiais 2-D. As descobertas podem ser empregadas para fazer uma nova geração de dispositivos optoeletra´nicos funcionais; por exemplo, células solares grandes e eficientes; dispositivos eletra´nicos flexa­veis e usa¡veis ​​que são alimentados pela luz do sol ou pelo movimento do usua¡rio; talvez atémesmo computadores impressos. "

O estudo foi realizado por engenheiros do Centro de Manufatura de Aditivos e fa­sicos da Escola de Fa­sica e Astronomia com um interesse comum em tecnologias qua¢nticas, no a¢mbito do Programa de Concessão de £ 5,85 milhões financiado por EPSRC, Habilitando a Manufatura de Aditivos de Pra³xima Geração.

Os pesquisadores usaram uma ampla gama de técnicas de caracterização - incluindo espectroscopia micro-Raman (varredura a laser), análise de gravidade tanãrmica, um novo instrumento orbiSIMS 3-D e medições elanãtricas - para fornecer compreensão estrutural e funcional detalhada de polímeros de grafeno impressos a jato de tinta, e os efeitos do tratamento tanãrmico (recozimento) no desempenho.

Os pra³ximos passos da pesquisa são controlar melhor a deposição dos flocos usando polímeros para influenciar a forma como eles se organizam e alinham e experimentando tintas diferentes com uma variedade de tamanhos de flocos. Os pesquisadores também esperam desenvolver simulações de computador mais sofisticadas dos materiais e da maneira como trabalham juntos, desenvolvendo formas de fabricação em massa dos dispositivos que prototipam.

 

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