Imprimen con láser circuitos de grafeno para desarrollar una electrónica ‘de papel’

Los investigadores del laboratorio de Jonathan Claussen en la Universidad del Estado de Iowa (EE.UU.), que se llaman a sí mismos nanoingenieros, han estado buscando maneras de usar el grafeno y sus propiedades sorprendentes en sus sensores y otras tecnologías.

El grafeno es un material asombroso: El panal de carbono tiene sólo un átomo de grosor. Conduce muy bien la electricidad y el calor; es fuerte y estable. Pero los investigadores han tenido dificultades para ir más allá de estudiar sus propiedades en pequeñas muestras de laboratorio, y llegar pedazos más grandes para aplicaciones del mundo real.

Trabajos recientes que utilizaron impresoras de inyección de tinta para imprimir circuitos y electrodos de múltiples capas de grafeno han hecho pensar a los ingenieros acerca de su uso en electrónica flexible, portátil y de bajo coste. Por ejemplo: «¿Podemos hacer grafeno a escala suficientemente grande para los sensores de glucosa?», se pregunta Suprem Das, investigador postdoctoral en ingeniería mecánica y técnico del Laboratorio Ames, del Departamento de Energía de EE.UU.

Pero hubo problemas con la tecnología existente. Una vez impreso, el grafeno tuvo que ser tratado para mejorar su conductividad eléctrica y el rendimiento del dispositivo. Eso por lo general significaba altas temperaturas o sustancias químicas, las cuales podían degradar superficies de impresión flexibles o desechables, tales como películas de plástico o incluso papel.

A Das y Claussen se les ocurrió la idea de usar láser para tratar el grafeno. Claussen, profesor ayudante de ingeniería mecánica y técnico del Laboratorio Ames, trabajó con Gary Cheng, de la Facultad de Ingeniería Industrial de la Universidad de Purdue (Indiana), para desarrollar y probar la idea.

Y funcionó: Encontraron que tratando circuitos eléctricos de múltiples capas y electrodos de grafeno impresos con chorro de tinta con un proceso de láser pulsado mejoraban la conductividad eléctrica sin dañar el papel, los polímeros u otras superficies de impresión frágiles.

«Esto crea una forma de comercializar y aumentar la escala de fabricación del grafeno», dice Claussen, en la nota de prensa de la universidad.

Los resultados se presentan en la portada de la revista Nanoscale. Claussen y Cheng son los autores principales y Das es el primer autor. La investigación cuenta con una subvención del Departamento de Agricultura de EE.UU., entre otros apoyos. La Fundación de Investigación Estado de Iowa, de la universidad, ha presentado una patente sobre la tecnología.

Aplicaciones

«El avance de este proyecto es que transforma el grafeno impreso por inyección de tinta en un material conductor capaz de ser utilizado en nuevas aplicaciones», dice Claussen. Estas aplicaciones podrían incluir: sensores con aplicaciones biológicas, sistemas de almacenamiento de energía, componentes conductores eléctricos, e incluso electrónica basada en papel.

Para hacer todo eso posible, los ingenieros desarrollaron tecnología láser controlada por ordenador que irradia selectivamente óxido de grafeno impreso por inyección de tinta. El tratamiento elimina los aglutinantes de tinta y reduce el óxido de grafeno para formar grafeno, cosiendo juntos millones de pequeños copos de grafeno. El proceso hace que la conductividad eléctrica sea más de mil veces mejor.

«El láser funciona con un pulso rápido de fotones de alta energía que no destruyen el grafeno o el sustrato», dice Das. «Calientan a nivel local, bombardean a nivel local, procesan a nivel local».

Este proceso localizado por láser también cambia la forma y la estructura del grafeno impreso: de una superficie plana a una con nanoestructuras 3-D elevadas. Los ingenieros dicen que las estructuras en 3-D son como diminutos pétalos que se elevan desde la superficie. La estructura áspera y surcada aumenta la reactividad electroquímica del grafeno, por lo que es útil para sensores químicos y biológicos.

Todo eso, según el equipo de nanoingenieros de Claussen, podría llevar el grafeno a las aplicaciones comerciales. «Este trabajo abre el camino no sólo a la electróncia basada en papel con circuitos de grafeno», escriben los investigadores en su artículo, «sino que permite la creación electrodos electroquímicos basados ​​en grafeno desechables y de bajo coste para numerosas aplicaciones, como sensores, biosensores, células de combustible y dispositivos (médicos)».

Referencia bibliográfica:

Suprem R. Das, Qiong Nian, Allison A. Cargill, John A. Hondred, Shaowei Ding, Mojib Saei, Gary J. Cheng, Jonathan C. Claussen: 3D nanostructured inkjet printed graphene via UV-pulsed laser irradiation enables paper-based electronics and electrochemical devices. Nanoscale (2016). DOI: 10.1039/C6NR04310K