Ein Wald aus Kohlenstoffnanoröhren stempelt elektronische Tinte auf eine Oberfläche

Vor etwa einem Dutzend Jahren habe ich einen Bericht über die Zukunft von Nanomaterialien in Druck und Verpackung geschrieben. Ich glaube, dass Kopien davon heute nur noch in meinem Bücherregal stehen, aber es hat im Laufe der Zeit dazu gedient, meine Meinung darüber zu untermauern, wie Nanomaterialien in diesen Bereichen eingesetzt werden können – zuletzt hat es vor ein paar Jahren zu einem Artikel auf diesen Seiten beigetragen. Die Grundfrage lautet: Wie bringt man ein Nanomaterial so günstig auf eine Verpackung, dass es für einen im Grunde genommen Wegwerfartikel sinnvoll ist?

Es war nicht einfach. Aber MIT-Forscher glauben, dass sie eine kostengünstige, robuste Stanzmethode gefunden haben, mit der es gelingt, Kohlenstoffnanoröhren auf eine flexible Oberfläche zu bringen, sodass sie als Transistor zur Steuerung einzelner Pixel in hochauflösenden Displays dienen können.

In einer in der Fachzeitschrift „Science Advances“ beschriebenen Forschungsarbeit wurde festgestellt, dass die Technik, die entwickelt wurde, um die Kohlenstoffnanoröhren auf die Oberfläche zu bringen, auf den Einsatz von Tintenstrahldrucktechniken verzichtet, die in diesem Anwendungsbereich als zukunftsweisend gelten. Stattdessen griffen sie auf eine recht alte Drucktechnik zurück: den Stempel.

Natürlich wurden Stempeltechniken schon früher ausprobiert, aber sie stießen oft auf das gleiche Problem wie beim Tintenstrahldruck: unscharfe Details, wobei die Tinte Kaffeeringmuster hinterließ, die den Transistor beeinträchtigten.

„Bestehende Druckverfahren unterliegen kritischen Einschränkungen hinsichtlich der Kontrolle über die Strukturgröße und Dicke der gedruckten Schicht“, sagte A. John Hart, außerordentlicher Professor am MIT, der die Forschung leitete, in einer Pressemitteilung. „Für so etwas wie einen Transistor oder eine Dünnschicht mit bestimmten elektrischen oder optischen Eigenschaften sind diese Eigenschaften sehr wichtig.“

Die Lösung des Teams bestand darin, einen Stempel mit nanoporöser Oberfläche zu verwenden, das heißt, er ist mit nanoskaligen Löchern bedeckt. Die Grundidee bestand darin, dass die Tinte gleichmäßig durch die Nanoporen dringen und die Zieloberfläche erreichen könnte. Sie schauten sich den Katalog der Nanomaterialien an und entschieden sich für die guten alten Kohlenstoffnanoröhren – einen ganzen Wald davon.

„Es ist ein gewisser Zufall, dass die Lösung zum hochauflösenden Drucken von Elektronik auf unserem langjährigen Hintergrund bei der Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhren basiert“, sagt Hart. „Die Wälder aus Kohlenstoffnanoröhren können Tinte auf eine Oberfläche übertragen wie riesige Mengen winziger Federkiele.“

Zur Herstellung der nanoporösen Stempel nutzten die Forscher eine zuvor entwickelte Technik. Sie ließen die Kohlenstoffnanoröhren zu Mustern auf der Oberfläche von Silizium wachsen. Anschließend beschichteten sie die Nanoröhrchen mit einem Polymer, das es der Tinte ermöglichte, gleichmäßig durch den Wald aus Nanoröhrchen zu fließen, und außerdem dafür sorgte, dass die Röhrchen durch den Stempelvorgang nicht zusammengedrückt wurden.

Während die nanoporöse Oberfläche den großen Durchbruch für diesen Ansatz darstellte, stellten die Forscher bald fest, dass der Erfolg der Technik weitgehend davon abhing, wie gleichmäßig Druck auf den Stempel ausgeübt wurde. Um zu bestimmen, wie der Druck am besten ausgeübt werden kann, entwickelten die Forscher außerdem ein prädiktives Computermodell, das die erforderliche Kraft berechnete, um eine gleichmäßige Tintenschicht auf der Zieloberfläche zu hinterlassen.

Die MIT-Forscher haben bereits Schritte unternommen, um die Geschwindigkeit des Produktionsprozesses zu steigern, indem sie eine Druckmaschine mit motorisierter Walze entwickelt haben. Der Aufbau bestand darin, einfach verschiedene Stempel auf einer Plattform anzubringen, die an einer Feder befestigt war, wodurch die Forscher die Menge der ausgeübten Kraft kontrollieren konnten.

„Dies wäre ein kontinuierlicher industrieller Prozess, bei dem man einen Stempel und eine Walze hätte, auf der man ein Substrat hätte, auf das man drucken möchte, etwa eine Spule Plastikfolie oder Spezialpapier für die Elektronik“, fügte Hart hinzu. „Wir haben herausgefunden, dass wir, begrenzt durch den Motor, den wir im Drucksystem verwendeten, kontinuierlich mit 200 Millimetern pro Sekunde drucken konnten, was bereits mit den Geschwindigkeiten industrieller Drucktechnologien konkurrenzfähig ist. Dies, kombiniert mit einer zehnfachen Verbesserung der.“ Die von uns demonstrierte Druckauflösung ist ermutigend.“

Auch das Endprodukt schien von guter Qualität zu sein, so die Forscher. Nach dem Tempern der elektronischen Muster maßen die Forscher eine gute Leitfähigkeit über die gedruckten Muster hinweg, zumindest gut genug, um als leistungsstarke transparente Elektroden zu dienen.

Wichtig sind gute Qualität und eine schnelle Produktion. Es bleibt jedoch abzuwarten, ob die Kosten dieses Produktionsprozesses niedrig genug sein werden, um für Anwendungen wie Verpackungen mit Sensoren sinnvoll zu sein, die Ihnen mitteilen, ob Ihr Fleisch schlecht geworden ist.