Cientistas da Universidade de Nottingham, no Reino Unido, decifraram o enigma de como usar jato de tinta para imprimir em 3D novos dispositivos eletrônicos com propriedades úteis, como a capacidade de converter luz em eletricidade.

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

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Usando modelagem de mecânica quântica, os pesquisadores também identificaram como os elétrons se movem através das camadas de material 2D. Isso é importante para entender completamente como os dispositivos inovadores podem ser modificados no futuro.

“Ao unir conceitos fundamentais da física quântica com engenharia de ponta, mostramos como dispositivos complexos para controlar eletricidade e luz podem ser construídos imprimindo camadas de material que têm apenas alguns átomos de espessura, mas centímetros de diâmetro”, disse Mark Fromhold, professor da Escolha de Física e Astronomia da Universidade de Nottingham, co-autor do artigo.

University of Nottingham/Reprodução

Representação de flocos de grafeno (vermelho) em impressão a jato de tinta entre dois contatos (verde). Imagem: Universidade de Nottingham/Reprodução

“De acordo com as leis da mecânica quântica, em que os elétrons agem como ondas em vez de partículas, descobrimos que os elétrons em materiais 2D viajam ao longo de trajetórias complexas entre vários flocos. Parece que os elétrons saltam de um floco para outro como um sapo pulando entre nenúfares sobrepostos na superfície de um lago”, completou o professor Fromhold.

Grafeno é mais forte que o aço

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

Materiais bidimensionais como o grafeno são geralmente feitos esfoliando sequencialmente uma única camada de átomos de carbono – dispostos em uma folha plana – que são então usados para produzir estruturas sob medida.

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Imagem microscópica de um transistor de efeito de campo contendo um canal de grafeno impresso a jato de tinta. Imagem: Universidade de Nottingham/Reprodução

No entanto, produzir camadas e combiná-las para fazer materiais complexos (semelhantes a sanduíches) tem sido difícil e geralmente requer uma deposição meticulosa das camadas, uma de cada vez e à mão.

Desde sua descoberta, houve um crescimento exponencial no número de patentes envolvendo o grafeno. Todavia, para explorar totalmente o seu potencial, técnicas de fabricação escalonáveis precisam ser desenvolvidas.

O novo artigo da Universidade de Nottingham mostra que a manufatura aditiva (comumente conhecida como impressão 3D) oferece uma solução promissora. O resultado é obtido ao usar tintas em que minúsculos flocos de grafeno com alguns bilionésimos de metro de diâmetro estão suspensos.

Técnicas de fabricação avançadas

Ao combinar técnicas de fabricação avançadas para fazer dispositivos com maneiras sofisticadas de medir suas propriedades e modelagem de onda quântica, a equipe descobriu exatamente como o grafeno impresso a jato de tinta pode substituir o grafeno de camada única como um material de contato para semicondutores metálicos 2D.

Embora as camadas e dispositivos 2D tenham sido impressos em 3D antes, esta é a primeira vez que alguém identifica como os elétrons se movem através deles e demonstra usos potenciais para as camadas impressas combinadas.

“Nossos resultados podem levar a diversas aplicações para compósitos de polímero de grafeno impressos a jato de tinta e uma variedade de outros materiais 2D. As descobertas podem ser empregadas para fazer uma nova geração de dispositivos optoeletrônicos funcionais: células solares grandes e eficientes; dispositivos eletrônicos flexíveis e usáveis alimentados pela luz do sol ou pelo movimento do usuário. Talvez, até mesmo, computadores”, explicou Dra. Lyudmila Turyanska, co-autora do estudo e integrante do Centro de Manufatura Aditiva.

Cientistas esperam fazer produção em massa

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

Os próximos passos da pesquisa são experimentar tintas diferentes com uma variedade de tamanhos de flocos e controlar ainda mais a deposição dos flocos usando polímeros para influenciar a forma como eles se organizam e alinham.

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 fizeram protótipos.

O artigo científico foi publicado na revista especializada Advanced Functional Materials 

Fonte: Phys.org