Лазер перетворив папір на провідний композит для електроніки

Дослідники з США і Китаю навчилися створювати за допомогою лазера прості електронні пристрої з паперу. Папір просочується «чорнилом» з желатину і хлориду молібдену, після чого лазерний промінь перетворює потрібні області паперу на проведені композитні структури з карбіду молібдену і графену. Технологія дозволила створити кілька пристроїв-прототипів, у тому числі іоністор і п'єзоелектретний генератор для перетворення механічної енергії на електричну, розповідають дослідники в журналі.

Зазвичай гнучкі електронні пристрої створюють на основі полімерів, але деякі вчені, які працюють в цій області, використовують більш дешевий і біорозкладуваний матеріал - папір. Однак часто низька вартість паперу нівелюється тим, що при створенні на її базі провідного композиту використовуються дорогі матеріали, такі як срібло і золото, і складні методи виробництва, що вимагають дорогого обладнання.

Дослідники під керівництвом Лівея Ліня (Liwei Lin) з Каліфорнійського університету в Берклі і Шеньчженьського університету Сіньхуа-Берклі розробили простий і дешевий метод, що дозволяє перетворити папір на провідний композит для використання в електронних пристроях. Для початку створюється гідрогель, що складається з желатину і хлориду молібдену, який потім напилюється на папір. Після цього папір висушують і він перетворюється на заготівлю, на якій можна створювати електропровідні доріжки для електричних схем або інші елементи.

Для того, щоб створити на такій заготівлі електропровідні ділянки, папір обробляється інфрачервоним лазерним променем. Вчені створили безліч зразків при різній потужності і тривалості лазерних імпульсів і вивчили їх мікроструктуру. Вони з'ясували, що в результаті обробки просочений гідрогелем папір перетворюється на карбід молібдену і графен. Мабуть, карбід утворюється з-за високотемпceної карбонізації іонів молібдену і желатину, а графен - через вплив лазерного променя на волокна паперу і желатин, відзначають автори роботи. При цьому без желатину при обробці лазерним променем тієї ж потужності графен не утворюється. Дослідники використовували кілька типів паперу і з'ясували, що офісний папір дає оптимальний набір властивостей - високу механічну міцність і відносно низький опір.

Після вивчення властивостей і підбору оптимальних параметрів лазерної обробки і концентрації компонентів гідрогелю, вчені створили на основі паперових композитів кілька простих електронних пристроїв. Наприклад, вони створили паперовий сенсор водяної пари і метанолу, який змінює свій опір при адсорбції молекул цих речовин. Крім того, автори створили п'єзоелектретний генератор, що складається з шарів паперу з провідними областями, розділених шарами полімеру. Полімер у цій конструкції виступає як електретний шар, що зберігає заряд.

При стисненні шарів паперу генератор перетворює механічну енергію на електричний струм. Тести показали, що паперовий генератор може створювати напругу 150 вольт, а в режимі закритого контуру створювати струм величиною 11 мікроампер. Крім того, дослідники створили прототип іоністора, що використовує пористу будову карбідно-графенового композиту з великою питомою площею поверхні для накопичення заряду.

Минулого року вчені з Кореї і США також створили іоністор на основі паперу, але використовували для цього інший метод. Вони наносили на кожне целюлозне волокно шари, що чергуються, проводять і діелектричних частинок, розділених поверхнево-активною речовиною.