Forskare vid Technische Universitaet Muenchen (TUM) visar vägen mot låg kostnad, industriell tillverkning av en ny familj av elektroniska apparater. Ett ledande exempel är en gassensor som kan integreras i livsmedelsförpackningar för att mäta färskhet, eller till kompakta trådlösa luftkvalitetsmonitorer. Nya typer av solceller och flexibla transistorer är också på gång, samt tryck- och temperatursensorer som kan byggas in i elektronisk hud för robot- eller bioniska applikationer. Allt kan tillverkas med kolnanorör, sprutas som bläck på flexibla plastark eller andra underlag.

Kolnanorörbaserade gassensorer skapade på TUM erbjuder en unik kombination av egenskaper som inte kan matchas av någon av de alternativa teknikerna. De upptäcker och reagerar snabbt på extremt små förändringar i koncentrationerna av gaser inklusive ammoniak, koldioxid, och kväveoxid. De fungerar vid rumstemperatur och förbrukar väldigt lite ström. Vidare, som TUM -forskarna rapporterar i sina senaste artiklar, sådana anordningar kan tillverkas på flexibla underlagsmaterial genom stora ytor, billiga processer.

Således blir det realistiskt att se för sig plastmat som innehåller flexibel, engångssensorer, ger en mer meningsfull indikator på färskhet av livsmedel än säljdatum. Mätning av koldioxid, till exempel, kan hjälpa till att förutsäga köttets hållbarhet. "Smart förpackning"-förutsatt att konsumenterna tycker att det är acceptabelt och att enheternas giftfrihet kan påvisas-kan öka livsmedelssäkerheten och kan också avsevärt minska mängden mat som går till spillo. Används i en annan miljö, samma sorts gassensor kan göra det billigare och mer praktiskt att övervaka luftkvaliteten inomhus i realtid.

Inte så lätt - men "riktigt enkelt"

Postdoktor Alaa Abdellah och kollegor vid TUM Institute for Nanoelectronics har visat att högpresterande gassensorer kan vara, i själva verket, sprutas på flexibla plastunderlag. Med det, de kan ha öppnat vägen till kommersiell lönsamhet för kolnanorörbaserade sensorer och deras applikationer. "Det här är verkligen enkelt, när du vet hur du gör det, "säger professor Paolo Lugli, direktör för institutet.

Den mest grundläggande byggstenen för denna teknik är en enda cylindrisk molekyl, ett hoprullat ark med kolatomer som är länkade i ett bikakemönster. Denna så kallade kolnanorör kan liknas vid en ofattbart lång trädgårdsslang:ett ihåligt rör med en nanometer eller så i diameter men kanske miljontals gånger så länge det är brett. Individuella kolnanorör uppvisar fantastiska och användbara egenskaper, men i det här fallet är forskarna mer intresserade av vad som kan göras med dem i massor.

Nedlagd i tunna filmer, slumpmässigt orienterade kolnanorör bildar ledande nätverk som kan fungera som elektroder; mönstrade och skiktade filmer kan fungera som sensorer eller transistorer. "Faktiskt, "Professor Lugli förklarar, "den elektriska resistiviteten hos sådana filmer kan moduleras med antingen en applicerad spänning (för att ge en transistorverkan) eller genom adsorption av gasmolekyler, vilket i sin tur är en signatur för gaskoncentrationen för sensortillämpningar. "

Och som grund för gassensorer i synnerhet, kolnanorör kombinerar fördelar (och undvik brister) med mer etablerade material, såsom polymerbaserad organisk elektronik och halvledarmetalloxidhalvledare. Det som saknats hittills är en pålitlig, reproducerbar, billig tillverkningsmetod.

Sprayavsättning, kompletteras vid behov med överföringstryck, tillgodoser det behovet. En vattenlösning av kolnanorör ser ut som en flaska svart bläck och kan hanteras på liknande sätt. Således kan enheter sprutas-från ett datorstyrt robotmunstycke-på praktiskt taget alla slags underlag, inklusive stora ytor av flexibel plast. Det finns inget behov av dyra renrumsfaciliteter.

"För oss var det viktigt att utveckla en lättskalbar teknikplattform för tillverkning av tryckt och flexibel elektronik i stort område baserat på organiska halvledare och nanomaterial, "Dr Abdellah säger." För detta ändamål, sprutavsättning utgör kärnan i vår bearbetningsteknik. "

Kvarvarande tekniska utmaningar härrör till stor del från applikationsspecifika krav, till exempel behovet av att gassensorer är såväl selektiva som känsliga.