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Nuovi inchiostri a base di grafite per la produzione ad alta velocità di elettronica stampata

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Un metodo a basso costo e ad alta velocità per la stampa di inchiostri grafene utilizzando un processo di stampa convenzionale roll-to-roll, come quello utilizzato per stampare giornali e pacchetti croccanti, potrebbe aprire una vasta gamma di applicazioni pratiche, tra cui elettronica stampata a basso costo, imballaggio intelligente e sensori usa e getta.

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Sviluppato da ricercatori dell'Università di Cambridge in collaborazione con Novalia, azienda tecnologica con sede a Cambridge, il metodo consente di aggiungere grafene e altri materiali elettricamente conduttivi agli inchiostri convenzionali a base d'acqua e di stampare con le tipiche apparecchiature commerciali, la prima volta che il grafene è stato utilizzato per stampare ad alta velocità su una grande macchina da stampa commerciale.

Il grafene è uno strato bidimensionale di atomi di carbonio, di un solo atomo di spessore. La sua flessibilità, la trasparenza ottica e la conducibilità elettrica lo rendono adatto ad un'ampia gamma di applicazioni, compresa l'elettronica stampata. Anche se numerosi prototipi di laboratorio sono stati dimostrati in tutto il mondo, l'uso commerciale diffuso del grafene non è ancora stato realizzato.

"Siamo lieti di essere i primi ad avvicinare gli inchiostri a base di grafene alla produzione nel mondo reale. Ci sono molte aziende che hanno prodotto inchiostri al grafene, ma nessuna di loro lo ha fatto su una scala vicina a questa," ha detto il dottor Tawfique Hasan del Cambridge Graphene Centre (CGC), che ha sviluppato il metodo. "Essere in grado di produrre inchiostri conduttivi che potrebbero essere utilizzati senza sforzo per la stampa su scala commerciale ad altissima velocità aprirà ogni tipo di applicazioni diverse per il grafene e altri materiali simili"

"Questo metodo ci permetterà di mettere i sistemi elettronici in forme del tutto inaspettate", ha detto Chris Jones di Novalia. "E' una tecnologia abilitante incredibilmente flessibile."

Il metodo di Hasan, sviluppato presso il Nanoscience Centre dell'Università, funziona sospendendo minuscole particelle di grafene in una miscela di solvente "portante", che viene aggiunta alle formulazioni conduttive di inchiostro a base d'acqua. Il rapporto degli ingredienti può essere regolato per controllare le proprietà del liquido, permettendo al solvente vettore di essere facilmente miscelato in un tradizionale inchiostro conduttivo a base acqua per ridurre significativamente la resistenza. Lo stesso metodo funziona per materiali diversi dal grafene, comprese le nanoparticelle metalliche, semiconduttori e isolanti.

Attualmente, i modelli conduttivi stampati utilizzano una combinazione di carbonio scarsamente conduttivo con altri materiali, più comunemente l'argento, che è costoso. Gli inchiostri a base di argento costano 1000 sterline o più per chilogrammo, mentre questa nuova formulazione di inchiostro grafene sarebbe 25 volte più economica. Inoltre, l'argento non è riciclabile, mentre il grafene e altri materiali in carbonio possono essere facilmente riciclabili. Il nuovo metodo utilizza solventi economici, atossici ed ecologici che possono essere asciugati rapidamente a temperatura ambiente, riducendo i costi energetici per l'indurimento dell'inchiostro. Una volta asciutto, anche l'"inchiostro elettrico" è impermeabile e aderisce molto bene al suo supporto.

Gli inchiostri a base di grafite sono stati stampati a una velocità di oltre 100 metri al minuto, in linea con la produzione commerciale per la stampa grafica, e molto più velocemente dei precedenti prototipi. Due anni fa, Hasan e i suoi colleghi hanno prodotto un prototipo di pianoforte trasparente e flessibile con inchiostri a base di grafene, che ha richiesto dalle sei alle otto ore di lavoro. Grazie all'utilizzo di questo nuovo inchiostro, è possibile realizzare dispositivi più versatili su carta o plastica ad una velocità di 300 al minuto, ad un costo molto basso. Novalia ha prodotto anche un DJ deck stampato e un poster interattivo, che funziona come una batteria con lo stesso metodo.

Gli studenti Hasan e dottorandi Guohua Hu, Richard Howe e Zongyin Yang del gruppo Hybrid Nanomaterials Engineering di CGC, in collaborazione con Novalia, hanno testato il metodo su una tipica macchina da stampa commerciale, che non ha richiesto modifiche per stampare con l'inchiostro grafene. Oltre alle nuove applicazioni che il metodo si aprirà per il grafene, potrebbe anche avviare opportunità di business completamente nuove per gli stampatori di grafica commerciale, che potrebbero diversificarsi nel settore dell'elettronica.

"Il Regno Unito, e l'area di Cambridge in particolare, è sempre stata forte nel settore della stampa, ma soprattutto per la stampa grafica e il packaging", ha dichiarato Hasan, Royal Academy of Engineering Research Fellow e docente universitario presso il Dipartimento di Ingegneria. "Speriamo di utilizzare questa forte esperienza locale per espandere la nostra piattaforma di inchiostri funzionali. Oltre ad un'elettronica stampabile più economica, questa tecnologia apre potenziali aree di applicazione come l'imballaggio intelligente e i sensori monouso, che finora sono stati in gran parte inaccessibili a causa dei costi"

Nel breve e medio termine, i ricercatori sperano di utilizzare il loro metodo per realizzare biosensori stampati e usa e getta, energy harvester e tag RFID.