Ученые победили эффект «кофейного кольца»: 3D-печать из графена
Если вы когда-нибудь проливали кофе на стол, то, сами того не подозревая, становились свидетелями одного из самых загадочных явлений механики жидкостей – «эффекта кофейного кольца». В наши дни именно он препятствует промышленному внедрению графеновых чернил, двумерных материалов и наночастиц, поскольку из-за него электронные устройства ведут себя нестабильно.
Кофейные кольца образуются, потому что жидкость быстрее испаряется по краям, вызывая накопление твердых частиц, что приводит к характерному темному кольцу на поверхности. Чернила ведут себя как кофе — частицы чернил накапливаются по краям, создавая неправильные формы и неровные поверхности, особенно при печати на твердых поверхностях, таких как силиконовые пластины или пластмассы.
После долгих лет изучения этого процесса группе исследователей удалось создать новое поколение чернил, которое решает эту проблему и, в теории, позволяет изготавливать электронику на базе графеновых систем – от датчиков и батарей до солнечных панелей.
Ученые изучали физику объединения капель чернил, отслеживая частицы с помощью высокоскоростной микрофотографии. В итоге лучше всего показала себя спиртовая среда, а именно смесь изопропилового спирта и 2-бутанола. В такой смеси частицы чернил имеют тенденцию равномерно распределяться по капле, создавая формы с одинаковой толщиной и свойствами. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
«Естественная форма капель чернил — сферическая, однако из-за своего состава наши капли чернил принимают форму блинов», — рассказал Тауфик Хасан из Кембриджского графенового центра, один из авторов исследования.
При высыхании новые капли спиртовых чернил плавно деформируются по поверхности, равномерно распределяя частицы. Применяя эту универсальную формулу, производители могли бы использовать струйную печать как дешевую и легкодоступную технологию изготовления электронных устройств и датчиков. В новых чернилах также не задействованы полимеры или поверхностно-активные вещества — коммерческие добавки, используемые для устранения эффекта кофейного кольца, но в то же время нарушающие электронные свойства графена и других двумерных материалов.
Что наиболее важно, новая методология обеспечивает воспроизводимость и масштабируемость — исследователям удалось напечатать 4500 почти идентичных устройств на кремниевой пластине и пластиковой подложке. В частности, они напечатали газовые датчики и фотодетекторы, показывающие очень небольшие различия в производительности. Раньше успешной считалась печать нескольких сотен таких устройств, даже если они показывали неравномерное поведение.