UC Berkeleys ingenjörer har gett ny innebörd åt termen "arbetspapper". Använda billiga material, de har tillverkat vikbara elektroniska switchar och sensorer direkt på papper, tillsammans med prototypgeneratorer, superkondensatorer och andra elektroniska enheter för en rad applikationer.

Forskning för att utveckla papperselektronik har accelererat de senaste 10 åren. Förutom dess tillgänglighet och låga kostnad, papper erbjuder en spännande potential:att helt enkelt vika det kan slå på och av kretsar eller på annat sätt ändra deras aktivitet - en sorts elektronisk origami.

Men de flesta ansträngningar att tillverka elektroder på papper med tillräcklig konduktivitet för praktisk användning har använt dyra metaller som guld eller silver som ledande material, översvämmar de potentiella besparingarna av papper som substrat.

Denna nya teknik använder det billiga grundämnet molybden som källan till den ledande metallen. Det sätts till gelatin i lösning och binder till kol i gelatinet. Papperet beläggs sedan med lösningen och torkas. En laserstråle "skriver" exakt önskade kretsmönster, värma molybdenet till ca 1, 000 grader Celsius och bildar ledare av hållbar molybdenkarbid.

De laserskrivna kretsarna är cirka 100 mikron breda - ungefär samma diameter som ett människohår. Alla ouppvärmda delar av papperet förblir icke-ledande. Gelatinbeläggningen tillhandahåller inte bara kolet för den ledande föreningen utan förhindrar också laserstrålen från att bränna papperet.

"Utan gelatin, papperet skulle förvandlas till aska, "säger Liwei Lin, professor i maskinteknik och senior författare till en artikel i tidskriften Avancerade material rapporterar den mångsidiga nya tekniken.

Ett "arbetspapper" som gör verkligt arbete

Ingenjörerna ser för sig en utbredd potential för det nya, engångspapper elektronik. Till exempel, kretsar för att upptäcka tungmetallföroreningar kan "skrivas" på papper för att ekonomiskt övervaka toxiner.

En sensor gjord av flera elektroder integrerade i en papperskrets kan upptäcka osäkra blynivåer i en droppe vatten – eller i en droppe av en patients blod, säger Xining Zang (MS 14, Ph.D. '17 ME), som ledde forskningen som en Berkeley-mekanisk ingenjörsstudent i Lins labb.

"Elektroderna skulle ha små luckor mellan dem, och närvaron av tungmetall i provet skulle slutföra kretsen, "förklarar hon.

Zang, huvudförfattare till tidskriftsartikeln, är nu postdoktor vid MIT.

Den nya papperselektronikstrategin uppstod från Lins forskning om nya typer av switchar, generatorer och batterier, och Zangs fokus på nya material, tillsammans med ett gemensamt intresse för det växande området att applicera origami på elektroniska och mekaniska applikationer.

"Många människor har utfört origamiforskning, bilda olika arkitekturer och olika former för att utföra olika funktioner, " säger Lin. "Vårt arbete ger en mångsidig och enkel väg att definiera ledande områden på papperet. Vi har nu visat både det praktiska med att skriva mångsidiga ledande mönster på papper, och hållbarheten för att vika det elektroniska papperet många hundra gånger för att slå på och av kretsar."

Han hoppas att demonstrationerna kan väcka uppmärksamhet för användning i kondensatorer och batterier. Batterier består huvudsakligen av positiva och negativa elektroder separerade av ett litet gap som innehåller en elektrolyt. I ett pappersbatteri, han säger, en positiv och en negativ elektrod kan var och en skrivas ut på papper så att vikning av papperet skulle skapa det lilla gapet som behövs mellan dem.

Zang tog med sig sin forskning om origami och nya material på papperselektronikprojektet. Hon vill integrera komponenter för energiproduktion, förvaring och funktionell användning, som en sensor, allt på ett enda papper.

"En självständig, engångssensor kan vara mycket användbar i utvecklingsländer där bärbara, speciellt efterfrågade förvaringsbara och billiga verktyg för folkhälsan, " hon säger.