La prochaine fois que vous passerez votre commande de café, imaginez mettre sur votre gobelet à emporter un autocollant qui agit comme un décalque électronique, vous permettant de connaître la température précise de votre latte triple-venti sans mousse. Un jour, l'estampage de haute technologie qui produit un tel autocollant pourrait également nous apporter un emballage alimentaire qui affiche un compte à rebours numérique pour avertir de la détérioration des produits, ou encore un volet de fenêtre qui affiche les prévisions du jour, sur la base de mesures des conditions météorologiques extérieures.

Les ingénieurs du MIT ont inventé un système rapide, processus d'impression précis qui peut faire de ces surfaces électroniques une réalité peu coûteuse. Dans un article publié aujourd'hui dans Avancées scientifiques , les chercheurs rapportent qu'ils ont fabriqué un tampon fabriqué à partir de forêts de nanotubes de carbone qui est capable d'imprimer des encres électroniques sur des surfaces rigides et flexibles.

A. John Hart, le professeur agrégé de développement de carrière Mitsui en technologie contemporaine et en génie mécanique au MIT, affirme que le processus d'estampage de l'équipe devrait être capable d'imprimer des transistors suffisamment petits pour contrôler les pixels individuels dans les écrans haute résolution et les écrans tactiles. La nouvelle technique d'impression peut également offrir un produit relativement bon marché, moyen rapide de fabriquer des surfaces électroniques pour des applications encore inconnues.

"Il y a un énorme besoin d'imprimer des appareils électroniques qui sont extrêmement bon marché mais qui fournissent des calculs simples et des fonctions interactives, " dit Hart. "Notre nouveau processus d'impression est une technologie habilitante pour la haute performance, électronique entièrement imprimée, y compris les transistors, surfaces optiquement fonctionnelles, et des capteurs omniprésents."

Sanha Kim, un post-doctorat dans les départements de génie mécanique et de génie chimique du MIT, est l'auteur principal, et Hart est l'auteur principal. Leurs co-auteurs sont les étudiants diplômés en génie mécanique Hossein Sojoudi, Hangbo Zhao, et Dhanushkodi Mariappan; Gareth McKinley, l'École d'Ingénieurs Professeur d'Innovation Pédagogique; et Karen Gleason, professeur de génie chimique et recteur associé du MIT.

Un timbre de minuscules plumes

Il y a eu d'autres tentatives ces dernières années pour imprimer des surfaces électroniques en utilisant des techniques d'impression à jet d'encre et d'estampage en caoutchouc, mais avec des résultats flous. Parce que ces techniques sont difficiles à contrôler à très petite échelle, ils ont tendance à produire des motifs « anneaux de café » où l'encre déborde sur les bordures, ou des impressions inégales qui peuvent conduire à des circuits incomplets.

« Il existe des limites critiques aux processus d'impression existants dans le contrôle qu'ils ont sur la taille et l'épaisseur des caractéristiques de la couche imprimée, " Hart dit. "Pour quelque chose comme un transistor ou un film mince avec des propriétés électriques ou optiques particulières, ces caractéristiques sont très importantes."

Hart et son équipe ont cherché à imprimer l'électronique de manière beaucoup plus précise, en concevant des timbres "nanoporeux". (Imaginez un tampon qui est plus spongieux que le caoutchouc et rétréci à la taille d'un ongle rose, avec des motifs qui sont beaucoup plus petits que la largeur d'un cheveu humain.) Ils ont estimé que le tampon devait être poreux, permettre une solution de nanoparticules, ou "encre, " pour couler uniformément à travers le timbre et sur n'importe quelle surface à imprimer. Conçu de cette manière, le tampon doit atteindre une résolution beaucoup plus élevée que l'impression conventionnelle de tampons en caoutchouc, appelé flexographie.

Kim et Hart ont trouvé le matériau parfait pour créer leur tampon très détaillé :des nanotubes de carbone - solides, feuillets microscopiques d'atomes de carbone, disposés en cylindres. Le groupe de Hart s'est spécialisé dans la culture de forêts de nanotubes alignés verticalement selon des motifs soigneusement contrôlés pouvant être transformés en timbres très détaillés.

« Il est quelque peu fortuit que la solution d'impression haute résolution de l'électronique tire parti de notre expérience dans la fabrication de nanotubes de carbone depuis de nombreuses années, " Hart dit. " Les forêts de nanotubes de carbone peuvent transférer de l'encre sur une surface comme un nombre massif de minuscules plumes de stylo. "

Circuits d'impression, rouleau par rouleau

Pour faire leurs timbres, les chercheurs ont utilisé les techniques précédemment développées par le groupe pour faire croître les nanotubes de carbone sur une surface de silicium selon divers motifs, y compris des hexagones en nid d'abeille et des motifs en forme de fleur. Ils ont recouvert les nanotubes d'une fine couche de polymère (développée par le groupe de Gleason) pour s'assurer que l'encre pénètre dans toute la forêt de nanotubes et que les nanotubes ne rétrécissent pas une fois l'encre estampée. Ensuite, ils ont infusé le timbre avec un petit volume d'encre électronique contenant des nanoparticules telles que l'argent, oxyde de zinc, ou des points quantiques semi-conducteurs.

La clé de l'impression minuscule, précis, les motifs haute résolution correspondent à la quantité de pression appliquée pour tamponner l'encre. L'équipe a développé un modèle pour prédire la quantité de force nécessaire pour tamponner une couche d'encre uniforme sur un substrat, étant donné la rugosité du tampon et du support, et la concentration de nanoparticules dans l'encre.

Pour intensifier le processus, Mariappan a construit une machine à imprimer, comprenant un rouleau motorisé, et y sont attachés divers substrats souples. Les chercheurs ont fixé chaque timbre sur une plate-forme attachée à un ressort, qu'ils utilisaient pour contrôler la force utilisée pour presser le tampon contre le substrat.

« Ce serait un processus industriel continu, où tu aurais un tampon, et un rouleau sur lequel vous auriez un substrat sur lequel vous souhaitez imprimer, comme une bobine de film plastique ou de papier spécialisé pour l'électronique, " Hart dit. " Nous avons trouvé, limité par le moteur que nous avons utilisé dans le système d'impression, nous pourrions imprimer à 200 millimètres par seconde, en continu, qui est déjà compétitif avec les tarifs des technologies d'impression industrielle. Cette, combinée à une amélioration par dix de la résolution d'impression que nous avons démontrée, est encourageant."

Après avoir estampé des motifs d'encre de divers motifs, l'équipe a testé la conductivité électrique des motifs imprimés. Après recuit, ou chauffage, les dessins après estampage - une étape courante dans l'activation des fonctionnalités électroniques - les motifs imprimés étaient en effet très conducteurs, et pourrait servir, par exemple, comme électrodes transparentes hautes performances.

Aller de l'avant, Hart et son équipe envisagent de poursuivre la possibilité d'une électronique entièrement imprimée.

"Une autre prochaine étape passionnante est l'intégration de nos technologies d'impression avec des matériaux 2D, comme le graphène, qui ensemble pourraient permettre de nouvelles, dispositifs ultrafins électroniques et de conversion d'énergie, " dit Hart.