Исследователи из США и Китая научились создавать с помощью лазера простые электронные устройства из бумаги. Бумага пропитывается «чернилами» из желатина и хлорида молибдена, после чего лазерный луч превращает нужные области бумаги в проводящие композитные структуры из карбида молибдена и графена. Технология позволила создать несколько устройств-прототипов, в том числе ионистор и пьезоэлектретный генератор для превращения механической энергии в электрическую, рассказывают исследователи в журнале Advanced Materials.

Обычно гибкие электронные устройства создают на основе полимеров, но некоторые ученые, работающие в этой области, используют более дешевый и биоразлагаемый материал — бумагу. Однако часто низкая стоимость бумаги нивелируется тем, что при создании на ее базе проводящего композита используются дорогие материалы, такие как серебро и золото, и сложные методы производства, требующие дорогого оборудования.

Исследователи под руководством Ливэя Линя (Liwei Lin) из Калифорнийского университета в Беркли и Шеньчжэньского университета Синьхуа-Беркли разработали простой и дешевый метод, позволяющий превратить бумагу в проводящий композит для использования в электронных устройствах. Для начала создается гидрогель, состоящий из желатина и хлорида молибдена, который затем напыляется на бумагу. После этого бумагу высушивают и она превращается в заготовку, на которой можно создавать электропроводные дорожки для электрических схем или другие элементы.

Xining Zang et al. / Advanced Materials, 2018

Макро- и микроструктура бумаги до и после нанесения гидрогеля, а также обработки лазером. Xining Zang et al. / Advanced Materials, 2018

Для того, чтобы создать на такой заготовке электропроводные участки, бумага обрабатывается инфракрасным лазерным лучом. Ученые создали множество образцов при разной мощности и продолжительности лазерных импульсов и изучили их микроструктуру. Они выяснили, что в результате обработки пропитанная гидрогелем бумага превращается в карбид молибдена и графен. По-видимому, карбид образуется из-за высокотемпературной карбонизации ионов молибдена и желатина, а графен — из-за воздействия лазерного луча на волокна бумаги и желатин, отмечают авторы работы. При этом без желатина при обработке лазерным лучом той же мощности графен не образуется. Исследователи использовали несколько типов бумаги и выяснили, что офисная бумага дает оптимальный набор свойств — высокую механическую прочность и относительно низкое сопротивление.

После изучения свойств и подбора оптимальных параметров лазерной обработки и концентрации компонентов гидрогеля, ученые создали на основе бумажных композитов несколько простых электронных устройств. Например, они создали бумажный сенсор водяного пара и метанола, который меняет свое сопротивление при адсорбции молекул этих веществ. Кроме того, авторы создали пьезоэлектретный генератор, состоящий из слоев бумаги с проводящими областями, разделенных слоями полимера. Полимер в этой конструкции выступает в качестве электретного слоя, сохраняющего заряд.

Пьезоэлектретный генератор. Xining Zang et al. / Advanced Materials, 2018

При сжатии слоев бумаги генератор преобразует механическую энергию в электрический ток. Тесты показали, что бумажный генератор может создавать напряжение 150 вольт, а в режиме закрытого контура создавать ток величиной 11 микроампер. Кроме того, исследователи создали прототип ионистора, использующий пористое строение карбидно-графенового композита с большой удельной площадью поверхности для накопления заряда.

В прошлом году ученые из Кореи и США также создали ионистор на основе бумаги, но использовали для этого другой метод. Они наносили на каждое целлюлозное волокно чередующиеся слои проводящих и диэлектрических частиц, разделенных поверхностно-активным веществом.

Автор: Григорий Копиев