Nästa gång du beställer kaffe, tänk dig att du slår en klistermärke på din to-go-kopp som fungerar som en elektronisk dekal, låter dig veta den exakta temperaturen på din triple-venti no-foam latte. Någon dag, den högteknologiska stämpeln som producerar ett sådant klistermärke kan också ge oss matförpackningar som visar en digital nedräkning för att varna för förstörda produkter, eller till och med en fönsterruta som visar dagens prognos, baserat på mätningar av väderförhållandena utanför.

Ingenjörer vid MIT har uppfunnit en snabb, exakt utskriftsprocess som kan göra sådana elektroniska ytor till en billig verklighet. I en tidning som publicerades idag i Vetenskapens framsteg , forskarna rapporterar att de har tillverkat en frimärke gjord av skogar av kolnanorör som kan trycka elektroniskt bläck på styva och flexibla ytor.

A. John Hart, Mitsui karriärutvecklingsdocent i modern teknik och maskinteknik vid MIT, säger att teamets stämplingsprocess ska kunna skriva ut transistorer som är tillräckligt små för att styra enskilda pixlar i högupplösta skärmar och pekskärmar. Den nya trycktekniken kan också erbjuda en relativt billig, snabbt sätt att tillverka elektroniska ytor för ännu okända applikationer.

"Det finns ett stort behov av att skriva ut elektroniska enheter som är extremt billiga men ger enkla beräkningar och interaktiva funktioner, " säger Hart. "Vår nya utskriftsprocess är en möjliggörande teknik för högpresterande, helt tryckt elektronik, inklusive transistorer, optiskt funktionella ytor, och allestädes närvarande sensorer."

Sanha Kim, en postdoc vid MIT:s avdelningar för maskinteknik och kemiteknik, är huvudförfattare, och Hart är seniorförfattaren. Deras medförfattare är maskiningenjörsstudenter Hossein Sojoudi, Hangbo Zhao, och Dhanushkodi Mariappan; Gareth McKinley, Ingenjörshögskolan professor i undervisningsinnovation; och Karen Gleason, professor i kemiteknik och MIT:s biträdande provost.

En stämpel från små pennpinnar

Det har gjorts andra försök de senaste åren att skriva ut elektroniska ytor med bläckstråleutskrift och gummistämplingstekniker, men med otydligt resultat. Eftersom sådana tekniker är svåra att kontrollera i mycket små skalor, de tenderar att producera "kaffering"-mönster där bläck rinner över gränserna, eller ojämna utskrifter som kan leda till ofullständiga kretsar.

"Det finns kritiska begränsningar för befintliga utskriftsprocesser i kontrollen de har över egenskapsstorleken och tjockleken på lagret som skrivs ut, "Hart säger." För något som en transistor eller tunn film med särskilda elektriska eller optiska egenskaper, dessa egenskaper är mycket viktiga."

Hart och hans team försökte skriva ut elektronik mycket mer exakt, genom att designa "nanoporösa" frimärken. (Föreställ dig en stämpel som är mer svampig än gummi och krympt till storleken av en rosa fingernagel, med mönstrade drag som är mycket mindre än bredden på ett människohår.) De resonerade att stämpeln skulle vara porös, att tillåta en lösning av nanopartiklar, eller "bläck, " att flyta jämnt genom stämpeln och på vilken yta som helst som ska tryckas. Designad på detta sätt, stämpeln ska uppnå mycket högre upplösning än konventionella stämpeltryck, kallas flexografi.

Kim och Hart träffade det perfekta materialet för att skapa sin mycket detaljerade stämpel:kolnanorör - starka, mikroskopiska ark av kolatomer, anordnade i cylindrar. Harts grupp har specialiserat sig på att odla skogar av vertikalt riktade nanorör i noggrant kontrollerade mönster som kan konstrueras till mycket detaljerade frimärken.

"Det är lite slumpmässigt att lösningen på högupplöst utskrift av elektronik utnyttjar vår bakgrund i att tillverka kolnanorör under många år, ", säger Hart. "Skogarna av kolnanorör kan överföra bläck till en yta som ett enormt antal små pennpennor."

Skriva ut kretsar, rulle för rulle

För att göra sina frimärken, forskarna använde gruppens tidigare utvecklade tekniker för att odla kolnanorören på en yta av kisel i olika mönster, inklusive bikakeliknande hexagoner och blomformade mönster. De belade nanorören med ett tunt polymerskikt (utvecklat av Gleasons grupp) för att säkerställa att bläcket skulle tränga igenom hela nanorörskogen och att nanorören inte skulle krympa efter att bläcket stämplades. Sedan infunderade de frimärket med en liten volym elektroniskt bläck innehållande nanopartiklar som silver, zinkoxid, eller halvledarkvantprickar.

Nyckeln till att skriva ut små, exakt, Högupplösta mönster är i mängden tryck som appliceras för att stämpla bläcket. Teamet utvecklade en modell för att förutsäga mängden kraft som krävs för att stämpla ett jämnt lager av bläck på ett substrat, med tanke på stämpelns och substratets grovhet, och koncentrationen av nanopartiklar i bläcket.

För att skala upp processen, Mariappan byggde en tryckmaskin, inklusive en motoriserad rulle, och fäst vid den olika flexibla substrat. Forskarna fixerade varje stämpel på en plattform fäst vid en fjäder, som de använde för att kontrollera kraften som användes för att pressa stämpeln mot substratet.

"Detta skulle vara en kontinuerlig industriell process, där du skulle ha en stämpel, och en rulle på vilken du vill ha ett underlag som du vill skriva ut på, som en spole plastfilm eller specialpapper för elektronik, " säger Hart. "Vi hittade, begränsad av motorn vi använde i utskriftssystemet, vi kunde skriva ut med 200 millimeter per sekund, kontinuerligt, som redan är konkurrenskraftig med priserna för industriell tryckteknik. Detta, kombinerat med en tiofaldig förbättring av utskriftsupplösningen som vi visade, är uppmuntrande."

Efter att ha stämplat bläckmönster av olika mönster, teamet testade de tryckta mönstrens elektriska ledningsförmåga. Efter glödgning, eller uppvärmning, mönstren efter stämpling - ett vanligt steg för att aktivera elektroniska funktioner - de tryckta mönstren var verkligen mycket ledande, och kunde tjäna, till exempel, som högpresterande transparenta elektroder.

Går framåt, Hart och hans team planerar att utöva möjligheten till helt tryckt elektronik.

"Ett annat spännande nästa steg är integrationen av våra utskriftsteknologier med 2D-material, som grafen, som tillsammans kan möjliggöra nya, ultratunna elektroniska och energiomvandlingsanordningar, "Säger Hart.