Grafenbläck som trycks rull-till-rulle. Upphovsman:Tawfique Hasan
En låg kostnad, höghastighetsmetod för utskrift av grafenbläck med en konventionell rull-till-rulle-tryckprocess, som det som brukade skriva ut tidningar och skarpa paket, kan öppna upp ett brett utbud av praktiska tillämpningar, inklusive billig tryckt elektronik, intelligenta förpackningar och engångssensorer.
Utvecklad av forskare vid University of Cambridge i samarbete med Cambridge-baserade teknologiföretaget Novalia, metoden gör att grafen och andra elektriskt ledande material kan läggas till konventionella vattenbaserade bläck och skrivas ut med vanlig kommersiell utrustning, första gången som grafen har använts för utskrift på en storskalig kommersiell tryckpress med hög hastighet.
Grafen är ett tvådimensionellt ark av kolatomer, bara en atom tjock. Dess flexibilitet, optisk transparens och elektrisk ledningsförmåga gör den lämplig för ett brett spektrum av applikationer, inklusive tryckt elektronik. Även om många laboratorieprototyper har visats runt om i världen, utbredd kommersiell användning av grafen är ännu inte realiserad.
"Vi är glada över att vara de första att föra grafenbläck nära verklig tillverkning. Det finns massor av företag som har producerat grafenbläck, men ingen av dem har gjort det i en skala nära detta, " sa Dr Tawfique Hasan från Cambridge Graphene Center (CGC), som utvecklade metoden. "Att kunna producera ledande bläck som enkelt kan användas för utskrift i kommersiell skala med mycket hög hastighet kommer att öppna upp alla slags olika applikationer för grafen och andra liknande material."
"Denna metod kommer att tillåta oss att sätta elektroniska system i helt oväntade former, " sa Chris Jones från Novalia. "Det är en otroligt flexibel möjliggörande teknologi."
Hasans metod, utvecklad vid universitetets nanovetenskapscenter, fungerar genom att suspendera små partiklar av grafen i en "bärar" lösningsmedelsblandning, som tillsätts till ledande vattenbaserade bläckformuleringar. Förhållandet mellan ingredienserna kan justeras för att kontrollera vätskans egenskaper, vilket gör att bärarlösningsmedlet lätt kan blandas in i ett konventionellt ledande vattenbaserat bläck för att avsevärt minska motståndet. Samma metod fungerar för andra material än grafen, inklusive metallic, halvledande och isolerande nanopartiklar.
För närvarande, tryckta ledande mönster använder en kombination av dåligt ledande kol med andra material, oftast silver, vilket är dyrt. Silverbaserade bläck kostar £ 1000 eller mer per kilogram, medan denna nya grafenbläckformulering skulle vara 25 gånger billigare. Dessutom, silver är inte återvinningsbart, medan grafen och andra kolmaterial lätt kan återvinnas. Den nya metoden använder billiga, giftfria och miljövänliga lösningsmedel som kan torkas snabbt i rumstemperatur, minska energikostnaderna för bläckhärdning. När det väl är torrt, det "elektriska bläcket" är också vattentätt och fäster extremt bra på sitt underlag.
Det grafenbaserade bläcket har skrivits ut med en hastighet av mer än 100 meter per minut, vilket är i linje med kommersiell produktionstakt för grafisk tryckning, och mycket snabbare än tidigare prototyper. Två år sedan, Hasan och hans kollegor tog fram en prototyp av ett transparent och flexibelt piano med grafenbaserade bläck, som tog mellan sex och åtta timmar att göra. Genom att använda detta nya bläck, mer mångsidiga enheter på papper eller plast kan tillverkas med en hastighet av 300 per minut, till en mycket låg kostnad. Novalia har även producerat ett tryckt DJ-spel och en interaktiv affisch, som fungerar som ett trumset med samma metod.
Hasan och doktorander Guohua Hu, Richard Howe och Zongyin Yang från Hybrid Nanomaterials Engineering-gruppen vid CGC, i samarbete med Novalia, testade metoden på en typisk kommersiell tryckpress, som inte krävde några ändringar för att skriva ut med grafenbläck. Förutom de nya applikationerna öppnas metoden för grafen, det kan också initiera helt nya affärsmöjligheter för kommersiella grafiska tryckerier, som skulle kunna diversifiera sig till elektroniksektorn.
"Storbrittanien, och i synnerhet Cambridge -området, har alltid varit stark inom tryckeribranschen, men mest för grafisk utskrift och förpackning, sa Hasan, en Kunglig Ingenjörsforskare och en universitetslektor vid ingenjörsavdelningen. "Vi hoppas kunna använda denna starka lokala expertis för att utöka vår funktionella bläckplattform. Förutom billigare utskrivbar elektronik, denna teknik öppnar upp potentiella tillämpningsområden som smarta förpackningar och engångssensorer, som hittills i stort sett varit otillgängliga på grund av kostnader."
På kort till medellång sikt, forskarna hoppas kunna använda sin metod för att göra tryckta, engångsbiosensorer, energiskördare och RFID-taggar.