Исследователи из лаборатории Джонатана Клауссена Университета штата Айова, предпочитающие называть себя наноинженерами, ищут способы использования графена и его впечатляющих возможностей в создаваемых ими сенсорах и других технологиях. Речь идет о технологии, позволяющей печатать графеновые микросхемы на бумаге при помощи струйного принтера. Разработанный учеными метод характеризуется низкой себестоимостью, что очень важно для технологий, которые предполагается использовать для реальных девайсов.

Инженеры Университета штата Айова разработали реальную низкозатратную графеновую технологию. Фото Кристофера Гэннона (Christopher Gannon) из Университета штата Айова

Графен — удивительный материал — «медовые соты» углерода толщиной всего в один атом. Он превосходно проводит электричество и тепло, обладая также прочностью и стабильностью. Исследователи ищут возможности того, чтобы их небольшие лабораторные образцы, являющиеся плодом изучения свойств этого перспективного материала, нашли себе практическое применение.

В рамках недавнего проекта струйные принтеры использовались для печати многослойных графеновых плат и электродов. Проект позволил инженерам сделать вывод о возможности применения графена в гибкой, носимой и недорогой электронике. Можно ли сделать из графена сенсор глюкозы? Ведь для этого размер должен быть достаточно велик.

Проблема состоит в существующих технологиях. Печатный графен может повышать проводимость и производительность девайса. Но это всегда означает применение высокотемпературного и химического воздействия. И то и другое может вести к деградации гибкости и повреждению поверхности, на которую наносится печать, — пластиковой пленки или даже бумаги.

Так у ученых Супрема Даса (Suprem Das) и Джонатана Клауссена (Jonathan Claussen) появилась идея использования лазера для обработки графена. И эта идея сработала. Ученые обнаружили, что лазерная обработка напечатанных с использованием принтера многослойных графеновых электрических микросхем и электродов с применением процесса лазерной генерации в импульсном режиме повышает проводимость электричества, не повреждая бумагу, полимеры и другие используемые для печати хрупкие поверхности.

По мнению Клауссена, это открывает путь к коммерциализации и увеличению масштабов производства графена.

Результаты данного исследования были опубликованы в журнале Nanoscale. Среди направлений, в которых смогут с годами найти применение результаты данного исследования — сенсоры для биологических задач, системы накопления энергии, электропроводящие компоненты и даже электроника на основе бумаги.

Чтобы все это стало возможным, инженеры разработали контролируемую компьютером лазерную технологию и селективно облучаемый оксид графена, используемый при струйной печати. Такая обработка устраняет потребность в связующем материале («чернилах») и позволяет преобразовать оксид графена в графен, физически связывая друг с другом миллионы крошечных графеновых «чешуек». Этот процесс улучшает проводимость электричества более чем в тысячу раз.

Дас поясняет, что лазер позволяет обработать материал сильно насыщенными энергией фотонами, не разрушая при этом ни графен, ни поверхность, на которой осуществляется печать, поскольку воздействие лазером применяется локально.

Будучи локализованным, лазерный процесс также меняет форму и структуру печатного графена с плоской поверхности до трехмерной наноструктуры. Инженеры говорят, что 3D-структуры подобны крошечным приподнимающимся над поверхностью лепесткам. Эта неровность поверхности повышает электромеханическую реактивность графена, делая возможным его использование в химических и механических сенсорах.

В перспективе это позволит создавать не только сами сенсоры, но также и дешевые электромеханические электроды на основе графена, которые могут найти себе огромное множество применений, включая сенсоры, биосенсоры, топливные ячейки и медицинские устройства.