Химики из Великобритании и Китая создали чернила, которые не подвержены эффекту кофейного пятна — более быстрому высыханию жидкости по краям, чем в центре. Новые соединения позволят печатать компоненты электронных устройств эффективнее, чем раньше. О своей работе исследователи рассказали на страницах журнала Science Advances.

Возможно, вы наблюдали одно из самых загадочных явлений механики жидкости — эффект кофейного пятна. Кофейные пятна образуются потому, что жидкость испаряется по краям с более высокой скоростью. Из-за этого там накапливаются твердые частицы и возникает характерное темное кольцо. Чернила ведут себя как кофе — частицы в них скапливаются по краям, из-за чего они ложатся неровным слоем, особенно при печати на твердых поверхностях, таких как кремниевые пластины или пластмассы.

Авторы нового исследования изучали физику капель чернил, отслеживая движение частиц в жидкости с помощью высокоскоростной микрофотографии. Также ученые анализировали механику жидкости и подбирали различные комбинации растворителей. В результате исследователи показали, что наиболее оптимальным составом растворителей для чернил является смесь изопропилового спирта и 2-бутанола.

Траектории высыхающих частиц / Tawfique Hasan

Оказалось, что в такой смеси частицы чернил могут равномерно распределяться в капле и после высыхания образовывать ровную поверхность. В таких системах нет необходимости использовать полимеры или поверхностно-активные вещества для уменьшения эффекта кофейного пятна. Это позволяет не только снизить затраты на создание чернил, но и избежать негативных эффектов таких соединений на электронные свойства растворенных в чернилах частиц, например графена.

Самое главное, что новая методика обеспечивает воспроизводимость и масштабируемость — исследователям удалось напечатать 4500 почти идентичных устройств на кремниевой пластине и пластиковой подложке. В частности, ученые смогли создать газовые датчики и фотоприемники, эксплуатационные характеристики которых почти не отличались от коммерчески доступных аналогов.

Помимо графена ученые создали более десятка чернил с различными материалами. Некоторые из них похожи на графен — например, черный фосфор и нитрид бора. Другие частицы были более сложными, например гетероструктуры-«сэндвичи» из различных двумерных материалов и наноструктурированные материалы. Открытие поможет более эффективно печатать электронные и фотонные устройства, а также катализаторы, солнечные элементы, батареи и функциональные покрытия.