Une forêt de nanotubes de carbone imprime de l'encre électronique sur une surface

Il y a une douzaine d'années, j'ai écrit un rapport sur l'avenir des nanomatériaux dans l'impression et l'emballage. Je pense que des copies de celui-ci n'existent peut-être aujourd'hui que dans ma bibliothèque, mais il a servi au cours de cette période à éclairer mon opinion sur la façon dont les nanomatériaux peuvent être appliqués à ces domaines - le plus récemment, il a contribué à la pièce sur ces pages il y a quelques années. La question de base : comment placer un nanomatériau sur un emballage à un prix suffisamment bas pour qu'il ait un sens pour ce qui est essentiellement un article jetable ?

Cela n'a pas été facile. Mais les chercheurs du MIT pensent avoir trouvé une méthode d'estampage robuste et peu coûteuse qui parvient à placer des nanotubes de carbone sur une surface flexible afin qu'ils puissent servir de transistor pour contrôler les pixels individuels dans les écrans haute résolution.

Dans les recherches décrites dans la revue Science Advances, la technique développée pour amener les nanotubes de carbone sur la surface évite l'utilisation de techniques d'impression à jet d'encre, qui ont été considérées comme une avancée dans ce domaine d'application. Au lieu de cela, ils se sont tournés vers une technique d'impression assez ancienne : le tampon.

Bien sûr, les techniques d'estampage ont déjà été essayées, mais elles se sont souvent heurtées au même problème que l'impression à jet d'encre : des détails flous, l'encre laissant derrière elle des motifs en anneau de café qui compromettaient le transistor.

"Il existe des limites critiques aux processus d'impression existants dans le contrôle qu'ils ont sur la taille et l'épaisseur de la couche imprimée", a déclaré A. John Hart, professeur agrégé au MIT qui a dirigé la recherche, dans un communiqué de presse. "Pour quelque chose comme un transistor ou un film mince avec des propriétés électriques ou optiques particulières, ces caractéristiques sont très importantes."

La solution de l'équipe consistait à utiliser un tampon avec une surface nanoporeuse, c'est-à-dire recouverte de trous à l'échelle nanométrique. L'idée de base était que l'encre serait capable de traverser les nanopores de manière uniforme et d'atteindre la surface cible. Ils se sont penchés sur le catalogue des nanomatériaux et se sont décidés pour de bons vieux nanotubes de carbone – une forêt d'entre eux.

"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", déclare Hart. "Les forêts de nanotubes de carbone peuvent transférer de l'encre sur une surface comme un nombre massif de minuscules plumes de stylo."

Pour fabriquer les tampons nanoporeux, les chercheurs ont utilisé une technique qu'ils avaient développée auparavant. Ils ont fait croître les nanotubes de carbone en motifs à la surface du silicium. Ils ont ensuite recouvert les nanotubes d'un polymère qui a permis à l'encre de s'écouler uniformément à travers la forêt de nanotubes et a également assuré que les tubes ne seraient pas comprimés par l'action d'estampage.

Alors que la surface nanoporeuse était la grande percée de cette approche, les chercheurs ont rapidement découvert que le succès de la technique dépendait en grande partie de la manière dont la pression était appliquée uniformément sur le tampon. Pour déterminer la meilleure façon d'appliquer la pression, les chercheurs ont également développé un modèle informatique prédictif qui calcule la quantité de force nécessaire pour laisser une couche d'encre uniforme sur la surface cible.

Les chercheurs du MIT ont déjà pris des mesures pour accélérer la vitesse du processus de production en développant une machine d'impression dotée d'un rouleau motorisé. La configuration consistait simplement à placer divers tampons sur une plate-forme attachée à un ressort qui permettait aux chercheurs de contrôler la quantité de force appliquée.

"Ce serait un processus industriel continu, où vous auriez 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", a ajouté Hart. "Nous avons constaté [que], limités par le moteur que nous utilisions dans le système d'impression, nous pouvions imprimer à 200 millimètres par seconde, en continu, ce qui est déjà compétitif par rapport aux vitesses des technologies d'impression industrielles. Ceci, combiné à une amélioration décuplé de la résolution d'impression que nous avons démontrée, est encourageant."

Le produit final semblait également de bonne qualité, selon les chercheurs. Après avoir recuit les motifs électroniques, les chercheurs ont mesuré une bonne conductivité à travers les motifs imprimés, au moins suffisamment bonne pour servir d'électrodes transparentes hautes performances.

Une bonne qualité et une production rapide sont toutes importantes. Mais il reste à voir si le coût de ce processus de production sera suffisamment bas pour avoir du sens pour des applications telles que des emballages dotés de capteurs qui vous diront si votre viande a mal tourné.