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Jan 12, 2024

Ersetzen von Chemikalien durch Wasser für 3D

Elizabeth Montalbano | 09. Mai 2023 Forscher haben erfolgreich produziert

Elizabeth Montalbano | 09. Mai 2023

Den Forschern sei es gelungen, komplexe gedruckte Elektronik herzustellen, die im Herstellungsprozess Wasser anstelle von Chemikalien verwende, wodurch sie vollständig recycelbar und umweltfreundlicher als frühere Designs seien, sagten sie.

Ingenieure der Duke University arbeiteten mit kohlenstoffbasierten Tinten, um eine Möglichkeit zu finden, mehrere Komponentenschichten übereinander zu stapeln, sodass sie zusammenkleben, was bei der Herstellung gedruckter Elektronik bisher schwierig gewesen sei, sagten sie.

„Schichten übereinander zu legen ist nicht so einfach wie sie einzeln aufzutragen – aber genau das muss man tun, wenn man elektronische Geräte mit Drucktechnik bauen will“, sagt Aaron Franklin, Professor für Elektro- und Computertechnik an der Duke , der die Studie leitete.

In ihrer jüngsten Forschung arbeitete Franklins Team mit zuvor entwickelten kohlenstoffbasierten Tinten – halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren, leitfähigem Graphen und isolierender Nanozellulose –, mit denen sie bereits gezeigt hatten, dass sie vollständig recycelbare gedruckte Elektronik mit Wasser und nicht mit den typischen Chemikalien entwickeln können.

Obwohl es ihnen gelang, die Schichten der Komponenten mithilfe eines Reinigungsmittels zusammenzukleben, gelang ihnen dies jedoch nicht auf eine Weise, die den Transport eines hohen Elektronenstroms ermöglichte, der zum Drucken komplexer elektronischer Geräte erforderlich ist sagte. Dies gelte insbesondere für die Arbeit mit Kohlenstoffnanoröhren, die eine einzigartige Herausforderung darstelle, sagte Franklin.

„Sie möchten, dass die Kohlenstoffnanoröhren wie al dente Spaghetti aussehen, die auf einer ebenen Fläche verstreut sind“, erklärte er. „Aber mit einer Tinte auf Wasserbasis sehen sie eher so aus, als wären sie einzeln genommen und an die Wand geworfen worden, um zu prüfen, ob sie gar sind.“

Wenn Chemikalien in den Prozess involviert gewesen wären, hätten die Forscher mehrere Durchgänge immer wieder drucken können, bis genügend Nanoröhren für das gewünschte Ergebnis vorhanden wären, sagte Franklin. Allerdings funktioniert Wasser nicht so, sagte er.

„Wir könnten es 100 Mal machen und es wäre immer noch die gleiche Dichte wie beim ersten Mal“, sagte Franklin.

Dies liegt daran, dass das Tensid, das die Kohlenstoffnanoröhren vor dem Verklumpen schützt, auch verhindert, dass weitere Schichten an der ersten haften, sagten die Forscher. In einem herkömmlichen Herstellungsprozess würden diese Tenside entweder durch sehr hohe Temperaturen entfernt, was viel Energie erfordert, oder durch aggressive Chemikalien, die ein Gesundheitsrisiko für Mensch und Umwelt darstellen können. Bei ihrer Forschung wollten Franklin und seine Gruppe beides vermeiden, sagten sie.

In der neuen Arbeit verbesserten die Forscher ihr bisheriges Design durch einen zyklischen Prozess, bei dem das Gerät mit Wasser gespült, bei relativ geringer Hitze getrocknet und erneut bedruckt wird. Der Schlüssel zum neuen Design besteht darin, dass die Menge des in der Tinte verwendeten Tensids reduziert wurde, was die Herstellung voll funktionsfähiger, vollständig recycelbarer und vollständig wasserbasierter Transistoren ermöglichte, sagten die Forscher.

Forscher veröffentlichten einen Artikel über ihre Forschung in der Zeitschrift Nano Letters.

Das Team entschied sich für die Entwicklung eines Transistors im Vergleich zu einem Widerstand oder einem Kondensator, da es sich um eine relativ komplexe Computerkomponente handelt, die in Geräten wie Leistungssteuerung oder Logikschaltungen und Sensoren verwendet wird. Indem sie zuerst diese Komponente entwickeln, hoffen Franklin und das Team, anderen Wissenschaftlern zu zeigen, dass sie den derzeitigen Herstellungsprozess für Elektronik deutlich umweltfreundlicher gestalten können, sagten die Forscher.

Tatsächlich habe das Team bereits bewiesen, dass nahezu 100 % der Kohlenstoffnanoröhren und des Graphens, die in seinem Druckprozess mit diesen Tinten verwendet werden, im selben Prozess zurückgewonnen und wiederverwendet werden können, sagten sie. Dies geschehe ohne Einbußen bei den Substanzen oder ihrer Leistungsfähigkeit, so die Forscher.

Da die in der anderen kohlenstoffbasierten Tinte enthaltene Nanozellulose außerdem aus Holz besteht, kann sie einfach recycelt oder biologisch abgebaut werden, so die Forscher. Ein kleiner Nachteil des Verfahrens besteht zwar darin, dass viel Wasser verbraucht wird, das Team sagte jedoch, dass dies bei weitem nicht so viel sei, wie für den Umgang mit den giftigen Chemikalien erforderlich sei, die bei herkömmlichen Herstellungsmethoden zum Einsatz kommen.

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