Исследователи из Мюнхенского технического университета (TUM) показывают путь к недорогому промышленному производству нового семейства электронных устройств. Ярким примером является датчик газа, который можно интегрировать в упаковку пищевых продуктов для измерения свежести или в компактные беспроводные мониторы качества воздуха. Новые типы солнечных элементов и гибких транзисторов также находятся в разработке, а также датчики давления и температуры, которые могут быть встроены в электронную кожу для роботизированных или бионических приложений. Все это можно сделать из углеродных нанотрубок, распылив их, как чернила, на гибкие пластиковые листы или другие подложки.
Газовые датчики на основе углеродных нанотрубок, созданные в ТУМ, предлагают уникальное сочетание характеристик, которые не могут сравниться ни с одной из альтернативных технологий. Они быстро обнаруживают и постоянно реагируют на очень небольшие изменения концентрации газов, включая аммиак, углекислый газ и оксид азота. Они работают при комнатной температуре и потребляют очень мало энергии. Кроме того, как сообщают исследователи ТУМ в своих последних работах, такие устройства могут быть изготовлены на гибких материалах-основах с помощью малозатратных процессов большой площади.
Таким образом, становится реалистичным представить пластиковую пищевую упаковку, которая включает в себя гибкие одноразовые датчики газа, обеспечивающие более значимый показатель свежести продуктов, чем срок годности. Например, измерение углекислого газа может помочь предсказать срок годности мяса. «Умная упаковка» - при условии, что потребители сочтут ее приемлемой и можно продемонстрировать нетоксичность устройств - может повысить безопасность пищевых продуктов, а также может значительно сократить количество выбрасываемой пищи. Использование такого же датчика газа в других условиях может сделать его менее дорогим и более практичным для контроля качества воздуха в помещении в режиме реального времени.
Не так просто, но "очень просто"
Постдокторский исследователь Алаа Абделла и его коллеги из Института наноэлектроники ТУМ продемонстрировали, что высокоэффективные газовые сенсоры можно распылять на гибкие пластиковые подложки. Таким образом, они, возможно, открыли путь к коммерческой жизнеспособности датчиков на основе углеродных нанотрубок и их приложений. «Это действительно просто, если вы знаете, как это сделать», - говорит профессор Паоло Лугли, директор института.
Основным строительным блоком для этой технологии является единая цилиндрическая молекула, скрученный лист атомов углерода, соединенных в виде сот. Эту так называемую углеродную нанотрубку можно сравнить с невообразимо длинным садовым шлангом: полая трубка диаметром всего около нанометра, но, возможно, в миллионы раз длиннее ее ширины. Отдельные углеродные нанотрубки обладают удивительными и полезными свойствами, но в данном случае исследователей больше интересует, что можно сделать с ними в массовом порядке.
Уложенные в тонкие пленки хаотично ориентированные углеродные нанотрубки образуют проводящие сети, которые могут служить электродами; Узорчатые и слоистые пленки могут функционировать как датчики или транзисторы. «На самом деле, - объясняет профессор Лугли, - удельное электрическое сопротивление таких пленок можно модулировать либо приложенным напряжением (чтобы обеспечить действие транзистора), либо адсорбцией молекул газа, что, в свою очередь, является признаком концентрации газа. для датчиков."
И в качестве основы для датчиков газа, в частности, углеродные нанотрубки сочетают в себе преимущества (и отсутствие недостатков) более известных материалов, таких как органическая электроника на основе полимеров и твердотельные полупроводники на основе оксидов металлов. Чего до сих пор не хватало, так это надежного, воспроизводимого и недорогого метода изготовления.
Распыление, дополненное, при необходимости, трансферной печатью, удовлетворяет эту потребность. Водный раствор углеродных нанотрубок выглядит как бутылка с черными чернилами, и с ним можно обращаться аналогичным образом. Таким образом, устройства можно распылять из управляемой компьютером роботизированной форсунки практически на любую подложку, включая листы гибкого пластика большой площади. Нет необходимости в дорогостоящих чистых помещениях.
«Для нас было важно разработать легко масштабируемую технологическую платформу для производства печатной и гибкой электроники большой площади на основе органических полупроводников и наноматериалов», - говорит д-р Абделла. «С этой целью напыление является основой нашей технологии обработки».
Оставшиеся технические проблемы возникают в основном из-за конкретных требований, таких как необходимость в том, чтобы датчики газа были селективными и чувствительными.