Bläck som innehåller metallnanopartiklar är bland de vanligaste ledande materialen för tryckt elektronik. Bläckstråleskikt av MNP-material möjliggör oöverträffad designflexibilitet, snabb bearbetning och 3D-utskrift av funktionella elektroniska enheter såsom sensorer, solpaneler, LED -skärmar, transistorer och smarta textilier.

Bläckstråle 3D-utskrift av metaller bildar vanligtvis ett fast tryckt föremål via en tvåstegsprocess:lösningsmedelsavdunstning vid utskrift (stiftning) och efterföljande lågtemperaturkonsolidering av nanopartiklar (sintring). Den låga temperaturen är viktig eftersom nanopartiklarna i många applikationer samtrycks med andra funktionella/strukturella organiska material som är känsliga för högre temperaturer.

Dock, skikt som produceras genom bläckstråleutskrift av metallnanopartiklar har olika elektrisk ledningsförmåga mellan horisontella och vertikala riktningar. Denna effekt är känd som funktionell anisotropi och är ett långvarigt problem för 3D-utskrift av funktionella elektroniska enheter, förhindra att den används för avancerade applikationer.

Man trodde tidigare att minskad vertikal konduktivitet genom en tryckt enhet främst orsakas av form- och fysiska kontinuitetsproblem vid gränssnitten mellan de ingående nanopartiklarna (i mycket liten mikro- och nanoskala). Dock, Nottingham-forskare använde silvernanopartiklar för att visa, för första gången, att det orsakas av organiska kemiska rester i bläcket.

Dessa rester, som läggs till bläcket för att stabilisera nanomaterialen, leda till bildandet av lågledande, mycket tunna lager i nanoskala som stör den elektriska ledningsförmågan hos det utskrivna provet i vertikal riktning.

Med en tydligare förståelse för fördelningen av resterande organiska tillsatser inom tryckta lager, forskarna hoppas kunna fortsätta med att definiera nya tekniker och utveckla nya bläckformuleringar för att övervinna funktionell anisotropi hos bläckstrålebaserad 3D-tryckt elektronik.

Huvud författare, CfAM -forskare Dr. Gustavo Trindade, sa, "Konduktiviteten hos bläckstråletryckta metallnanopartiklar är känd för att vara beroende av bearbetningstemperaturen och har tidigare tillskrivits förändringar i formen och porositeten hos klustrade nanopartiklar, med de organiska resternas roll som bara spekuleras."

"Denna nya insikt möjliggör utveckling av vägar för att övervinna funktionell anisotropi i bläckstrålebaserade nanopartiklar, och kommer därför att förbättra användningen av denna potentiellt transformerande teknik, gör den konkurrenskraftig med konventionell tillverkning. Vår metod är överförbar till andra nanomaterialbaserade bläck, inklusive de som innehåller grafen och funktionaliserade nanokristaller, och kommer att möjliggöra utveckling och utnyttjande av både 2D- och 3D-utskriven elektronik som flexibla och bärbara sensorer, solpaneler, LED-skärmar, transistorer och smarta textilier. "

Studien utfördes av Center for Additive Manufacturing (CfAM), under det EPSRC-finansierade programanslaget på 5,85 miljoner pund, Aktivera nästa generations additiva tillverkning. Deras resultat publiceras i en ny artikel "Resterande polymerstabilisator orsakar anisotrop elektrisk ledningsförmåga under bläckstråleutskrift av metallnanopartiklar" i tidskriften Nature Kommunikationsmaterial.

Forskarna använde den unika kemiska känsligheten för ett toppmodernt 3D orbiSIMS-instrument som ägs av University of Nottingham. Nottingham orbiSIMS – den enda vid ett brittiskt universitet – tillåter etikettfri 3D kemisk avbildning av material med mycket hög upplösning, avslöjar insikter som har legat till grund för denna studie.