Foto di copertina: Test in produzione del nuovo inchiostro al grafene (Credit: Tawfique Hasan)
Un nuovo metodo a basso costo e ed alta velocità permette la stampa con inchiostri al grafene utilizzando un processo di stampa roll-to-roll convenzionale, come quello utilizzato per la stampa di quotidiani e alcuni tipi di sacchetti, potrebbe aprire una vasta gamma di applicazioni pratiche, tra cui elettronica stampata a basso costo, imballaggi intelligenti e sensori monouso.
Sviluppato da ricercatori dell’Università di Cambridge in collaborazione con la società Novalia, il metodo consente al grafene e altri materiali elettricamente conduttori di essere aggiunti ai tradizionali inchiostri a base d’acqua e stampati utilizzando attrezzature commerciali comuni. Questa è la prima volta che il grafene viene utilizzato per la stampa commerciale su larga scala e ad alta velocità.
Il grafene è un foglio bidimensionale di atomi di carbonio, dello spessore di un solo atomo. La sua flessibilità, la trasparenza ottica e la conduttività elettrica lo rendono adatto per una vasta gamma di applicazioni, tra cui l’elettronica stampata. Sebbene numerosi prototipi di laboratorio siano stati realizzati in tutto il mondo, l’uso commerciale del grafene deve ancora essere realizzato.
Siamo lieti di essere i primi a portare gli inchiostri di grafene vicino al mondo reale della produzione. Molte aziende hanno prodotto inchiostri al grafene, ma nessuna lo ha fatto su questa scala – ha detto il Dr. Tawfique Hasan del CGC (Cambridge Graphene Centre), che ha sviluppato questa tecnologia. Poter produrre inchiostri conduttivi utilizzabili per la stampa su scala commerciale e ad alta velocità consentirà una serie di diverse applicazioni per il grafene e altri materiali simili.
Il metodo di Hasan, sviluppato presso il Nanoscience Centre dell’Università, funziona sospendendo minuscole particelle di grafene in una miscela di solvente ‘vettore’, che viene aggiunto alle formulazioni di inchiostro conduttivo a base d’acqua. Il rapporto degli ingredienti può essere regolato per controllare le proprietà del liquido, permettendo al solvente di essere facilmente miscelato ad un inchiostro conduttivo convenzionale a base d’acqua e ridurne così significativamente la resistenza. Lo stesso metodo funziona per materiali diversi dal grafene, tra cui le nanoparticelle metalliche, semiconduttori e isolanti.
Il video “New graphene based inks for high-speed manufacturing of printed electronics” diffuso dalla Università di Cambridge
Attualmente, per la stampa di trame conduttrici si usa una combinazione di carbonio, cattivo conduttore, con altri materiali, più comunemente l’argento, che è costoso. Gli inchiostri a base di argento costano 1300 € o più per chilogrammo, mentre questa nuova formulazione di inchiostro al grafene risulterebbe 25 volte più conveniente. Inoltre, l’argento non è riciclabile, mentre il grafene e altri materiali al carbonio possono essere facilmente riciclati. Questa nuova tecnologia utilizza solventi a basso costo, non tossici ed ecologici, che possono essere asciugati rapidamente a temperatura ambiente, riducendo così i costi energetici per la reticolazione dell’inchiostro. Una volta asciutto, “l’inchiostro elettrico” è impermeabile e aderisce molto bene al suo substrato, sia esso carta o plastica.
Per quanto riguarda la velocità, gli inchiostri a base di grafene sono stati stampati a una velocità di oltre 100 metri al minuto, valore in linea con gli standard di produzione commerciale per la stampa grafica e ben più veloce dei prototipi precedenti.
Alcuni studenti di Hasan tra i quali i PhD Guohua Hu, Richard Howe e Zongyin Yang appartenenti al gruppo di ingegneria dei nanomateriali ibridi del CGC, in collaborazione con Novalia, hanno testato il nuovo metodo su una tipica macchina da stampa commerciale, che non ha richiesto alcuna modifica per l’uso dell’inchiostro al grafene. Oltre alle nuove applicazioni che il metodo consentirà usando il grafene, il nuovo inchiostro potrebbe anche significare nuove opportunità di business per le aziende di stampa commerciale, che avrebbero la possibilità di diversificare la loro produzione nel settore dell’elettronica.
Il Regno Unito e la zona di Cambridge in particolare, è sempre stato forte nel settore della stampa, ma soprattutto per la stampa grafica e l’imballaggio, – ha detto Hasan, docente universitario nel dipartimento di ingegneria. Speriamo di utilizzare questa forte esperienza locale per espandere la nostra produzione nel campo dell’inchiostro funzionale. Oltre ad un processo più economico per la stampa di circuiti elettronici, questa tecnologia agevola nuove potenziali aree di applicazione come lo smart packaging e i sensori monouso, che finora sono state in gran parte inesplorate a causa del costo.
Nel breve e medio periodo, i ricercatori contano di usare il loro metodo per stampare biosensori usa e getta, piccoli accumulatori di energia e tag RFID.
