Les ingénieurs de l'État de l'Iowa développent le monde réel, applications à faible coût pour le graphène. Crédit :Christopher Gannon/Iowa State University.
Les chercheurs du laboratoire de Jonathan Claussen à l'Iowa State University (qui aiment s'appeler nano-ingénieurs) ont cherché des moyens d'utiliser le graphène et ses propriétés étonnantes dans leurs capteurs et autres technologies.
Le graphène est un matériau merveilleux :le nid d'abeilles en carbone n'a qu'un atome d'épaisseur. C'est excellent pour conduire l'électricité et la chaleur; c'est solide et stable. Mais les chercheurs ont eu du mal à aller au-delà de minuscules échantillons de laboratoire pour étudier ses propriétés matérielles à des pièces plus grandes pour des applications dans le monde réel.
Des projets récents qui utilisaient des imprimantes à jet d'encre pour imprimer des circuits et des électrodes de graphène multicouches ont amené les ingénieurs à penser à l'utiliser pour des applications flexibles, électronique portable et à faible coût. Par exemple, « Pourrions-nous fabriquer du graphène à des échelles suffisamment grandes pour les capteurs de glucose ? » demanda Suprem Das, un associé de recherche postdoctoral de l'État de l'Iowa en génie mécanique et un associé du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie.
Mais il y avait des problèmes avec la technologie existante. Une fois imprimé, le graphène a dû être traité pour améliorer la conductivité électrique et les performances de l'appareil. Cela signifiait généralement des températures élevées ou des produits chimiques - les deux pouvaient dégrader les surfaces d'impression flexibles ou jetables telles que les films plastiques ou même le papier.
Das et Claussen ont eu l'idée d'utiliser des lasers pour traiter le graphène. Claussen, un professeur adjoint de génie mécanique de l'État de l'Iowa et un associé du laboratoire Ames, travaillé avec Gary Cheng, professeur agrégé à l'École de génie industriel de l'Université Purdue, pour développer et tester l'idée.
Et ça a marché :ils ont trouvé le traitement imprimé par jet d'encre, les circuits électriques et électrodes multicouches en graphène avec un procédé laser pulsé améliorent la conductivité électrique sans endommager le papier, polymères ou autres surfaces d'impression fragiles.
« Cela crée un moyen de commercialiser et de développer la fabrication de graphène, ", a déclaré Claussen.
Les résultats sont présentés sur la couverture de la revue Nanoéchelle du numéro 35. Claussen et Cheng sont les auteurs principaux et Das est le premier auteur. Les co-auteurs supplémentaires de l'État de l'Iowa sont Allison Cargill, John Hondred et Shaowei Ding, étudiants diplômés en génie mécanique. Les co-auteurs supplémentaires de Purdue sont Qiong Nian et Mojib Saei, étudiants diplômés en génie industriel.
Suprem Das détient de l'électronique au graphène imprimée sur une feuille de papier. Das et Jonathan Claussen, droit, utilisent des lasers pour traiter l'électronique de graphène imprimée. Le processus améliore la conductivité et permet flexible, électronique portable et à faible coût. Crédit :Christopher Gannon/Iowa State University
Deux subventions majeures soutiennent le projet et la recherche associée :une subvention de trois ans de l'Institut national de l'alimentation et de l'agriculture, Département de l'Agriculture des États-Unis, sous le numéro 11901762 et une subvention de trois ans du Roy J. Carver Charitable Trust. Le Collège d'ingénierie et le département d'ingénierie mécanique de l'Iowa State soutiennent également la recherche.
La Iowa State Research Foundation Inc. a déposé un brevet sur la technologie.
« La percée de ce projet est de transformer le graphène imprimé par jet d'encre en un matériau conducteur capable d'être utilisé dans de nouvelles applications, ", a déclaré Claussen.
Ces applications pourraient inclure des capteurs avec des applications biologiques, systèmes de stockage d'énergie, des composants conducteurs électriques et même de l'électronique à base de papier.
Pour rendre tout cela possible, les ingénieurs ont développé une technologie laser contrôlée par ordinateur qui irradie sélectivement l'oxyde de graphène imprimé par jet d'encre. Le traitement élimine les liants d'encre et réduit l'oxyde de graphène en graphène - assemblant physiquement des millions de minuscules flocons de graphène. Le processus rend la conductivité électrique plus de mille fois meilleure.
"Le laser fonctionne avec une impulsion rapide de photons de haute énergie qui ne détruisent ni le graphène ni le substrat, " Das dit. "Ils chauffent localement. Ils bombardent localement. Ils traitent localement."
que localisé, le traitement au laser modifie également la forme et la structure du graphène imprimé d'une surface plane à une surface surélevée, Nanostructures 3D. Les ingénieurs disent que les structures 3D sont comme de minuscules pétales s'élevant de la surface. La structure rugueuse et striée augmente la réactivité électrochimique du graphène, ce qui le rend utile pour les capteurs chimiques et biologiques.
Tout ça, selon l'équipe de nano-ingénieurs de Claussen, pourrait déplacer le graphène vers des applications commerciales.
"Ce travail ouvre la voie non seulement à l'électronique sur papier avec des circuits de graphène, " les chercheurs ont écrit dans leur article, « il permet la création d'électrodes électrochimiques à base de graphène à faible coût et jetables pour une myriade d'applications, y compris les capteurs, biocapteurs, piles à combustible et dispositifs (médicaux).
