Iowa State-ingenjörer utvecklar verkliga världen, billiga applikationer för grafen. Upphovsman:Christopher Gannon/Iowa State University.
Forskarna i Jonathan Claussens laboratorium vid Iowa State University (som gärna kallar sig nanoingenjörer) har letat efter sätt att använda grafen och dess fantastiska egenskaper i sina sensorer och annan teknik.
Grafen är ett undermaterial:Kolhonungskaka är bara en atomtjock. Det är bra på att leda el och värme; den är stark och stabil. Men forskare har kämpat för att gå bortom små laboratorieprover för att studera dess materialegenskaper till större bitar för verkliga applikationer.
De senaste projekten som använde bläckstråleskrivare för att skriva ut flerskikts grafenkretsar och elektroder fick ingenjörerna att tänka på att använda den för flexibla, bärbar och billig elektronik. Till exempel, "Kan vi göra grafen i skalor som är tillräckligt stora för glukossensorer?" frågade Suprem Das, en postdoktor i Iowa State i maskinteknik och medarbetare vid U.S. Department of Energy's Ames Laboratory.
Men det fanns problem med den befintliga tekniken. När det tryckts, grafen måste behandlas för att förbättra elektrisk konduktivitet och enhetens prestanda. Det innebar vanligtvis höga temperaturer eller kemikalier - båda kan försämra flexibla eller engångsytor som plastfilmer eller till och med papper.
Das och Claussen kom på idén att använda lasrar för att behandla grafen. Claussen, en biträdande professor i maskinteknik i Iowa och en medarbetare i Ames Laboratory, arbetade med Gary Cheng, docent vid Purdue University's School of Industrial Engineering, att utveckla och testa idén.
Och det fungerade:De hittade behandling med bläckstråleskrivning, elektriska kretsar och elektroder med flera lager grafen med en pulserande laserprocess förbättrar elektrisk konduktivitet utan att skada papper, polymerer eller andra ömtåliga tryckytor.
"Detta skapar ett sätt att kommersialisera och skala upp tillverkningen av grafen, Sa Claussen.
Resultaten finns på tidningens framsida Nanoskala nummer 35. Claussen och Cheng är huvudförfattare och Das är författare. Ytterligare Iowa State-medförfattare är Allison Cargill, John Hondred och Shaowei Ding, doktorander i maskinteknik. Ytterligare Purdue-medförfattare är Qiong Nian och Mojib Saei, doktorander i industriteknik.
Suprem Das håller grafenelektronik tryckt på ett pappersark. Das och Jonathan Claussen, höger, använder lasrar för att behandla den tryckta grafenelektroniken. Processen förbättrar konduktiviteten och möjliggör flexibel, bärbar och billig elektronik. Upphovsman:Christopher Gannon/Iowa State University
Två stora bidrag stödjer projektet och relaterad forskning:ett treårigt bidrag från National Institute of Food and Agriculture, US Department of Agriculture, under tilldelningsnummer 11901762 och ett treårigt bidrag från Roy J. Carver Charitable Trust. Iowa State's College of Engineering och institutionen för maskinteknik stöder också forskningen.
Iowa State Research Foundation Inc. har ansökt om patent på tekniken.
"Genombrottet för detta projekt förvandlar bläckstråleskrivet grafen till ett ledande material som kan användas i nya applikationer, Sa Claussen.
Dessa applikationer kan inkludera sensorer med biologiska applikationer, energilagringssystem, elektriska ledande komponenter och till och med pappersbaserad elektronik.
För att göra allt möjligt, ingenjörerna utvecklade datorstyrd laserteknik som selektivt bestrålar bläckstråleskrivet grafenoxid. Behandlingen tar bort bläckbindemedel och reducerar grafenoxid till grafen - fysiskt syr ihop miljontals små grafenflingor. Processen gör elektrisk konduktivitet mer än tusen gånger bättre.
"Lasern arbetar med en snabb puls av högenergifotoner som inte förstör grafen eller substrat, "Sa Das." De värmer lokalt. De bombarderar lokalt. De bearbetar lokalt. "
Det lokaliserade, laserbehandling förändrar också formen och strukturen på den tryckta grafen från en plan yta till en med höjd, 3D-nanostrukturer. Ingenjörerna säger att 3D-strukturerna är som små kronblad som stiger upp från ytan. Den grova och räfflade strukturen ökar grafens elektrokemiska reaktivitet, vilket gör den användbar för kemiska och biologiska sensorer.
Allt det där, enligt Claussens team av nanoingenjörer, kan flytta grafen till kommersiella applikationer.
"Detta arbete banar väg för inte bara pappersbaserad elektronik med grafenkretsar, "forskarna skrev i sin artikel, "det möjliggör skapandet av billiga och disponibla grafenbaserade elektrokemiska elektroder för otaliga applikationer inklusive sensorer, biosensorer, bränsleceller och (medicinsk) utrustning. "
