愛荷華州立大學(xué)Jonathan Claussen實(shí)驗(yàn)室的研究人員(他們喜歡稱自己為納米工程師)一直在尋找在他們的傳感器和其他技術(shù)中使用石墨烯及其驚人的性能的途徑。
石墨烯是一種神奇的材料：這種碳蜂窩結(jié)構(gòu)只有一個(gè)原子厚。它具有很好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能;它強(qiáng)大而又穩(wěn)定。但研究人員一直都苦于無(wú)法將其從用于研究材料特性的實(shí)驗(yàn)室小樣品推進(jìn)到可以用于實(shí)際應(yīng)用的更大片的樣品。
最近的用噴墨打印機(jī)來(lái)打印多層石墨烯電路和電極的項(xiàng)目使得工程師們考慮將它用于柔性可穿戴的低成本電子產(chǎn)品上。例如，“我們可以制造尺寸足夠大的用于葡萄糖傳感器的石墨烯嗎?”Suprem Das問，他是愛荷華州立大學(xué)的機(jī)械工程博士后研究助理和美國(guó)能源部Ames實(shí)驗(yàn)室的助理。
但是現(xiàn)有的技術(shù)存在著一些問題。石墨烯被印刷之后，必須要進(jìn)行處理以提高導(dǎo)電性和設(shè)備的性能。這通常意味著高溫或化學(xué)物質(zhì)——這兩者都可能會(huì)使塑料薄膜或者紙張等柔性或一次性的印刷表面劣化。
愛荷華州立大學(xué)的工程師正在開發(fā)實(shí)用，低成本的石墨烯應(yīng)用。
Das和Claussen想出了利用激光來(lái)處理石墨烯的想法。Claussen是愛荷華州立大學(xué)的機(jī)械工程助理教授以及Ames實(shí)驗(yàn)室的助理，其與普渡大學(xué)工業(yè)工程學(xué)院副教授Gary Cheng合作開發(fā)和試驗(yàn)這個(gè)想法。
結(jié)果證明是可行的：他們發(fā)現(xiàn)，用脈沖激光工藝對(duì)噴墨印刷的多層石墨烯電路和電極進(jìn)行處理提高了導(dǎo)電性，而不會(huì)損壞紙張，聚合物或其他脆弱的印刷表面。
“這將創(chuàng)造一種將石墨烯生產(chǎn)進(jìn)行商業(yè)化和規(guī)模化的方式，”Claussen說(shuō)。
該研究結(jié)果刊登在35期的《Nanoscale》雜志的封面上。Claussen和Cheng是通訊作者，Das是第一作者。來(lái)自愛荷華州立大 學(xué)的其他合著者包括 Allison Cargill, John Hondred 和Shaowei Ding，他們是機(jī)械工程專業(yè)的研究生。來(lái)自普度大學(xué)的其他合著者包括Qiong Nian和Mojib Saei，他們是工業(yè)工程專業(yè)的研究生。
兩個(gè)重大基金資助了本項(xiàng)目及相關(guān)的研究：美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)家食品與農(nóng)業(yè)研究院一項(xiàng)編號(hào)為11901762的為期三年的資助，和Roy J.Carver慈善信托的一項(xiàng)為期三年的資助。愛荷華州立大學(xué)工程學(xué)院和機(jī)械工程系也資助了該項(xiàng)研究。
愛荷華州立大學(xué)研究基金會(huì)公司已經(jīng)為該技術(shù)申請(qǐng)了一個(gè)專利。
“這個(gè)項(xiàng)目的突破是將噴墨印刷的石墨烯轉(zhuǎn)化為可用于新應(yīng)用的導(dǎo)電材料，”Claussen說(shuō)。
這些應(yīng)用可能包括用于生物應(yīng)用的傳感器，儲(chǔ)能系統(tǒng)，導(dǎo)電元件，甚至是基于紙張的電子產(chǎn)品。
為了使這一切變成可能，工程師們開發(fā)了計(jì)算機(jī)控制的激光技術(shù)，其可以選擇性地照射噴墨印刷的石墨烯氧化物。該處理移除了油墨粘合劑，并減少了石墨烯上的石墨烯氧化物——從物理上將數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的小石墨烯薄片拼接了起來(lái)。該工藝使電導(dǎo)率提高了超過一千倍。
“該激光器采用了高能光子的快速脈沖，其不會(huì)對(duì)石墨烯或襯底造成損壞，”Das說(shuō)。“它們?cè)诰植考訜帷Ｋ鼈冊(cè)诰植哭Z炸。它們?cè)诰植刻幚怼！?/p>
局部化的激光處理工藝也將印刷石墨烯的形狀和結(jié)構(gòu)從一個(gè)平坦的表面轉(zhuǎn)變成隆起的三維納米結(jié)構(gòu)。工程師們說(shuō)，該三維結(jié)構(gòu)就像是從表面升起的微小花瓣。粗糙的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)增加了石墨烯的電化學(xué)反應(yīng)活性，使它可以用于化學(xué)和生物傳感器。
根據(jù)Claussen的納米工程師團(tuán)隊(duì)所說(shuō)，所有這一切將會(huì)使石墨烯走向商用。
“這項(xiàng)工作不僅為基于紙質(zhì)的含有石墨烯電路的電子產(chǎn)品鋪平了道路，”研究人員在他們的論文中寫道：“它還使可用于包括傳感器，生物傳感器，燃料電池以及(醫(yī)療)設(shè)備等無(wú)數(shù)應(yīng)用的低成本一次性的基于石墨烯的電極成為可能。”