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Jun 13, 2024

Niente più sostanze chimiche tossiche

Di Duke University, 13 aprile 2023 Una rappresentazione artistica del nuovo processo che consente agli stampatori di creare transistor perfettamente funzionanti e completamente riciclabili utilizzando solo acqua anziché sostanze chimiche aggressive.

Da Duke University13 aprile 2023

Una rappresentazione artistica del nuovo processo che consente agli stampatori di creare transistor perfettamente funzionanti e completamente riciclabili utilizzando solo acqua anziché sostanze chimiche aggressive. Credito: Ella Maru Studios

Gli ingegneri della Duke University hanno creato i primi componenti elettronici stampati al mondo che possono essere completamente riciclati. La loro soluzione innovativa sostituisce l’uso di sostanze chimiche dannose con acqua durante il processo di fabbricazione, riducendo così l’impatto ambientale e i potenziali rischi per la salute associati all’uso di sostanze chimiche pericolose. Questa dimostrazione apre una nuova strada da seguire per l’industria nel ridurre la propria impronta ecologica e sanitaria.

La ricerca è stata recentemente pubblicata sulla rivista Nano Letters.

Uno dei maggiori ostacoli che i produttori di elettronica devono affrontare è riuscire a fissare con successo diversi strati di componenti uno sopra l’altro, il che è fondamentale per la produzione di dispositivi sofisticati. Questo può essere un compito impegnativo, soprattutto per i componenti elettronici stampati, dove garantire la corretta adesione degli strati è spesso fonte di frustrazione.

"Se stai preparando un panino con burro di arachidi e gelatina, uno strato su ciascuna fetta di pane è facile", ha spiegato Aaron Franklin, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke, che ha guidato lo studio. “Ma se metti prima la gelatina e poi provi a spalmarci sopra il burro di arachidi, dimenticalo, la gelatina non rimarrà al suo posto e si mescolerà con il burro di arachidi. Mettere gli strati uno sopra l’altro non è facile come metterli da soli, ma è quello che devi fare se vuoi costruire dispositivi elettronici con la stampa”.

In previous work, Franklin and his group demonstrated the first fully recyclable printed electronics. The devices used three carbon-based inks: semiconducting carbon nanotubes, conductive grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> grafene e nanocellulosa isolante. Nel tentativo di adattare il processo originale per utilizzare solo acqua, i nanotubi di carbonio hanno rappresentato la sfida più grande.

Una stampante a getto d’inchiostro deposita strati di inchiostri elettronici a base di carbonio per creare transistor che possono essere completamente riciclati utilizzando solo acqua, anziché richiedere sostanze chimiche aggressive e tossiche. Credito: Jason Arthurs Fotografia

Per realizzare un inchiostro a base d'acqua in cui i nanotubi di carbonio non si aggregano e si diffondono uniformemente su una superficie, viene aggiunto un tensioattivo simile al detergente. L’inchiostro risultante, tuttavia, non crea uno strato di nanotubi di carbonio sufficientemente denso da consentire il passaggio di un’elevata corrente di elettroni.

"Vuoi che i nanotubi di carbonio assomiglino a spaghetti al dente sparsi su una superficie piana", ha detto Franklin. “Ma con un inchiostro a base d'acqua, sembrano più come se fossero stati presi uno per uno e gettati su un muro per verificarne la cottura. Se usassimo prodotti chimici, potremmo semplicemente stampare più passaggi ancora e ancora finché non ci fossero abbastanza nanotubi. Ma l'acqua non funziona in questo modo. Potremmo farlo 100 volte e ci sarebbe comunque la stessa densità della prima volta."

Questo perché il tensioattivo utilizzato per impedire l'aggregazione dei nanotubi di carbonio impedisce anche che gli strati aggiuntivi aderiscano al primo. In un processo di produzione tradizionale, questi tensioattivi verrebbero rimossi utilizzando temperature molto elevate, che richiedono molta energia, o sostanze chimiche aggressive, che possono comportare rischi per la salute umana e ambientale. Franklin e il suo gruppo volevano evitarli entrambi.

Nell'articolo, Franklin e il suo gruppo sviluppano un processo ciclico in cui il dispositivo viene risciacquato con acqua, asciugato a fuoco relativamente basso e ristampato. Quando viene ridotta anche la quantità di tensioattivo utilizzato nell'inchiostro, i ricercatori dimostrano che i loro inchiostri e processi possono creare transistor completamente funzionali, completamente riciclabili e completamente a base d'acqua.