Hvordan metalliske nanomaterialer kan forbedre ledningsevnen i papirbaserte elektronikkapplikasjoner

I de siste årene har forskningen på metalliske nanopartikler i papirbaserte elektroniske komponenter økt betraktelig. Papirsubstrater, som tradisjonelt har vært ansett som upassende for elektronikk på grunn av deres lave ledningsevne, har vist seg å kunne forbedres betydelig ved bruk av metalliske partikler. Metalliske materialer som sølv, kobber og gull er kjent for sine utmerkede ledningsevne, noe som gjør dem til viktige komponenter i elektronikk, elektrisk ledning og andre elektriske komponenter. Imidlertid er utfordringen at disse bulkmetallene lett kan få mekaniske skader ved gjentatt folding, noe som gjør dem mindre egnet for fleksible og bøybare elektroniske systemer.

Whiteside forskergruppen har vært en av de pionerene som har utforsket mulighetene for å bruke metalliske materialer på papirsubstrater for å lage rimelige og bøybare trykte kretskort (PCB). Gjennom sine studier har de vurdert elektrisk ledningsevne, mekaniske egenskaper, smeltepunkt og kostnader knyttet til fremstillingen av slike materialer (Siegel et al., 2010). Imidlertid er de tradisjonelle metodene for metallbearbeiding ikke alltid hensiktsmessige når det gjelder å påføre bulkmetaller på temperaturfølsomme papirmaterialer.

For å løse dette problemet har forskerne i de senere årene fokusert på å introdusere mikrometer- og nanometermetalliske partikler på papirsubstrater. Disse partiklene, som kan være så små som et mikrometer eller enda mindre, danner et nettverk av ledende forbindelser mellom partiklene som gir en vei for elektrisk strøm å passere gjennom (Chu et al., 2009; Smeacetto et al., 2008). Denne mikroskopiske arkitekturen har vist seg å være mer robust mot mekanisk slitasje som kan oppstå ved gjentatte foldinger, i motsetning til tradisjonelle bulkmetallkomponenter.

De fremstilte partiklene blir deretter dispergert i organiske eller vannbaserte løsemidler og påført papirsubstratene ved forskjellige metoder som spraying, dypdykking, rulle-til-rulle bar-coating, pennskriving eller trykking. Blant disse metodene er trykketeknikker som skjermtrykk, fleksografisk trykk og inkjet-trykk de mest brukte (Tobjörk & Österbacka, 2011; Torvinen et al., 2012; Valdec et al., 2021). Trykkeprosessen innebærer at metallpartiklene blandes med bindemidler og løsemidler for å danne et tykkere trykklag, som deretter tørkes ved høy temperatur for å danne et ledende nettverk av partikler. Ettertrykk avhenger ledningsevnen i stor grad av faktorer som partikkelstørrelse, lagtykkelse, papirets egenskaper og sintringsforhold.

Inkjet-trykking har fått særlig oppmerksomhet på grunn av dens kostnadseffektivitet og fleksibilitet. Dette er en metode som benytter nanopartikkelbaserte blekkblandinger (vanligvis kobber- eller sølvpulver) for å overføre ledende materialer til papiret. Inkjet-blekk har lav viskositet, noe som gjør at papirets overflateegenskaper får stor betydning for å oppnå tilstrekkelig oppløsning og god elektrisk ytelse. En utfordring med denne metoden er imidlertid at nanopartiklene lett kan tette de små dysekanalene, noe som kan hindre pålitelig utskrift.

En løsning på dette problemet har vært å benytte pre-kursorblekk, som kan gjennomgå en kjemisk prosess etter påføring for å danne ledende nanostrukturer direkte på papiret. For eksempel har noen forskere brukt sølvforløpere i blekk som gjør at sølvpunkter kan dannes på papiret i en in situ-prosess (Wang et al., 2019). Denne tilnærmingen gjør det mulig å oppnå høyere oppløsning og bedre ledningsevne enn med tradisjonelle inkjet-trykk.

Det er viktig å merke seg at for å oppnå pålitelig elektrisk ledningsevne i papirbaserte elektroniske enheter, må strukturen på papiret og metallpartiklene være nøye kontrollert. Papirets porestruktur spiller en avgjørende rolle for at de små partiklene skal kunne trenge inn i fibernettverket og danne et stabilt elektrisk nettverk. Det er også viktig å ta hensyn til de mekaniske egenskapene til papiret og hvordan det påvirkes av trykkeprosessen, spesielt når det gjelder holdbarhet og motstand mot fysisk slitasje.

Endtext

Hvordan forbedre piezoelektriske egenskaper i nanogeneratorer basert på PDMS og ZnSnO3 nanotråder gjennom mikrostrukturering

PDMS, som er kjent for sin fleksibilitet og biokompatibilitet, har blitt brukt som et bærermateriale i ulike fleksible elektroniske applikasjoner, inkludert som substrat i piezoelektriske nanogeneratorer. På den andre siden, ZnSnO3 nanotråder har fremvist fremragende piezoelektriske egenskaper på grunn av deres unike krystallstruktur og høye piezoelektriske koeffisienter. Kombinasjonen av disse to materialene gjør det mulig å bygge fleksible, lette og høyeffektive enheter som kan utnytte mekanisk stress for å generere elektrisk energi.

Mikrostrukturering spiller en sentral rolle i denne prosessen. Ved å tilsette mikrostrukturer til PDMS og ZnSnO3 nanotrådene, kan man forbedre overflatearealet og dermed øke kontaktpunktene som er ansvarlige for piezoelektrisk ladningsgenerering. Dette kan gjøres ved å bruke metoder som fotolitografi eller elektronstråle-litografi for å skape små pigger eller andre topografiske endringer på overflaten av materialene. Når disse mikrostrukturene er integrert, forbedres både den mekaniske responsen og elektriske utbyttet fra nanogeneratoren betydelig. Det har blitt vist at ved å tilpasse mikrostrukturen på nanoskalaen, kan man optimalisere de piezoelektriske egenskapene til disse materialene, som gir høyere effektivitet i energiutvinning og større pålitelighet i langsiktig drift.

En annen utfordring i utviklingen av nanogeneratorer er integrasjonen av disse fleksible materialene i praktiske enheter. For eksempel, i anvendelser som elektronisk hud og bærbare helseovervåkingssystemer, er det viktig at nanogeneratorene ikke bare er fleksible, men også tåler langvarig slitasje uten å miste sin piezoelektriske respons. Derfor er det nødvendig å undersøke hvordan forskjellige mikrostrukturer og fremstillingsprosesser påvirker både fleksibilitet og mekanisk stabilitet på lang sikt.

En annen dimensjon ved nanogeneratorenes utvikling er energilagring og -utnyttelse. Selv om de piezoelektriske nanogeneratorene kan produsere energi, er det en utfordring å effektivt lagre og bruke denne energien i praktiske applikasjoner. En kombinasjon av nanogeneratorer med superkondensatorer eller fleksible batterier kan være en løsning på dette problemet, og dermed gjøre det mulig å bygge selvforsynte enheter som kan brukes i et bredt spekter av applikasjoner, fra helsemonitorering til miljøovervåkning.

Videre er det viktig å påpeke at de mikrostrukturerte PDMS-ZnSnO3 nanogeneratorene ikke bare har potensiale for energiutvinning, men også for sensorteknologi. Deres høye følsomhet for mekanisk stress gjør dem ideelle for bruk som trykksensorer i elektroniske hudsystemer, som kan etterligne den menneskelige hudens følsomhet og respons. Dette åpner opp for helt nye typer interaktive enheter som kan brukes til alt fra medisinsk overvåking til bærbar teknologi som er nærmest usynlig for brukeren.

Det er viktig å forstå at nanogeneratorenes ytelse ikke bare er avhengig av materialvalg, men også av hvordan disse materialene er bearbeidet og integrert i enheter. Videre forskning på hvordan man kan forbedre stabiliteten og effektiviteten til disse nanogeneratorene, spesielt under varierende miljøforhold, er essensiell for å realisere deres potensial i kommersielle applikasjoner.

Hvordan virker kromisme i papirbaserte sensorer og enheter?

Kromiske materialer utgjør en betydelig gruppe i utviklingen av papirbaserte sensorer og enheter. Hovedtrekket ved disse materialene er deres evne til å endre farge, ofte reversibelt, under påvirkning av forskjellige stimuli, som kan være både kjemiske og fysiske. Denne prosessen kalles kromisme, og har en lang historie som strekker seg tilbake flere tiår. Kromiske materialer har blitt anvendt i en rekke teknologier, som i glass, speil, skjermer, sensorer, og andre applikasjoner. Dette er teknologier som bruker materialer som reagerer på stimuli og endrer sine optiske egenskaper.

Kromisme kan klassifiseres etter hvilke typer stimuli som fremkaller fargeforandringen. Eksempler på forskjellige typer kromisme inkluderer fotochromisme, elektrochromisme, termokromisme, piezokromisme, ionokromisme, halokromisme, solvatochromisme, mekanokromisme, magnetokromisme, hydrochromisme og biochromisme. Disse begrepene refererer til fysiske og kjemiske endringer som forårsakes av lys, elektrisk strøm, temperatur, trykk, ioner, pH, naturen til løsemidler, mekanisk handling, magnetiske felt, fuktighet og til og med biokjemiske reaksjoner.

Ved utviklingen av kromiske materialer for praktiske enheter, har flere krav blitt identifisert. Først og fremst er det ønskelig at materialene har et høyt kontrastforhold, som betyr stor forskjell i transmittans gjennom det synlige spekteret. Dette gjør at fargeendringene blir tydeligere for betrakteren. Andre viktige egenskaper inkluderer lav responstid, høy fargedybde eller fargeeffektivitet, samt god holdbarhet og lang levetid for materialene, noe som betyr at de kan tåle flere sykluser med skriving og visning før de degraderes.

Termokromisme, en type kromisme som forårsakes av temperaturendringer, er en av de mest vanlige og studerte formene. Når et termokromisk materiale når en viss kritisk temperatur, gjennomgår det en reversibel faseovergang som medfører endringer i fysiske egenskaper som gjennomskinnelighet og resistens. Et godt eksempel på dette er vanadiumdioksid (VO2), som ved temperaturer under 68 °C er et monoklinisk materiale med halvleder-egenskaper, mens det ved høyere temperaturer blir et tetragonalt materiale med metalliske egenskaper som reflekterer infrarød stråling.

Det finnes flere andre eksempler på termokromiske materialer, både organiske og uorganiske. For eksempel endrer kobbermercuriiodid (Cu2HgI4) farge fra rød ved 20 °C til svart ved 70 °C. Også materialer som sinkoksid (ZnO) og indiumoksid (In2O3) endrer farge med temperatur, fra hvit til gul og fra gul til brun-gul henholdsvis. Slike endringer er ofte basert på kjemisk likevekt mellom forskjellige molekylstrukturer eller krystallinske faser.

I tillegg til termokromisme finnes det andre typer stimuli som kan forårsake fargeforandringer, som elektrochromisme (reaksjoner på elektriske strømmer), fotochromisme (reaksjoner på lys), piezokromisme (reaksjoner på trykk), og mange flere. Disse materialene er essensielle i utviklingen av papirbaserte sensorer, spesielt der raske og pålitelige fargeendringer er nødvendige for å indikere spesifikke miljøforhold eller kjemiske reaksjoner.

De forskjellige kromiske materialene har funnet brede anvendelser i flere teknologiske områder. For eksempel, i matemballasje kan fargeforandringer indikere temperaturforhold eller når maten er i ferd med å bli ødelagt, noe som er en svært nyttig egenskap for forbrukere og industrien. På samme måte kan kromiske materialer brukes i helse- og miljømonitorering, hvor fargeforandringer kan indikere tilstedeværelse av spesifikke gasser, kjemikalier eller andre faktorer som påvirker helsen.

Når man utvikler og bruker kromiske materialer, er det viktig å ta hensyn til flere faktorer. Det er nødvendig å forstå hvilke stimuli som best kan fremkalle de ønskede fargeforandringene, og hvilke materialer som vil være mest stabile og effektive i lang tid. Holdbarhet, responsivitet og presisjon i fargeendringene er viktige kvaliteter for at slike materialer skal kunne brukes effektivt i praktiske applikasjoner, som papirbaserte sensorer eller emballasje.

For å oppnå de beste resultatene i praktiske applikasjoner, bør man også vurdere faktorer som kostnadseffektivitet, lett tilgjengelighet av materialene og deres miljøpåvirkning. De beste kromiske materialene bør være i stand til å opprettholde sine egenskaper under ulike forhold, og være enkle å integrere i eksisterende teknologier og produkter.

Hvordan papir kan revolusjonere energilagring og elektroniske enheter

Papir er et materiale med et potensial som mange kanskje ikke umiddelbart tenker på. Selv om det er kjent for sine mange dagligdagse bruksområder, har det også blitt en viktig komponent i utviklingen av avanserte elektroniske og energilagrende enheter. Dette inkluderer alt fra superkondensatorer til biosensorer, hvor papir ikke bare fungerer som et underlag, men også som en kritisk komponent som bidrar til enhetens ytelse og funksjonalitet.

Selv om karbonfiberpapir har mange fordeler, som eksepsjonell elektrisk ledningsevne og høy kjemisk stabilitet, har det noen ulemper, blant annet lav elektrokjemisk aktivitet. Dette kan begrense bruken av CFP i visse applikasjoner. Til tross for dette har andre papirbaserte materialer som glanset papir (hydrofobt), papirhåndklær og servietter, som har høy absorpsjonskapasitet og god permeabilitet, også blitt brukt i ulike sensorer og enheter. For eksempel er disse materialene egnet for produksjon av magnetiske aktuatorer når de er impregnert med ferrofluid, eller for å detektere og prøve damp av analyttene.

Papir av forskjellige typer, som nyhetspapir og papp, har blitt testet for bruk i elektroniske enheter. Nyhetspapir, som er preget av en høy mengde urenheter, har blitt brukt i magnetiske aktuatorer og elektronikk. Papp, derimot, brukes som et billig, biologisk nedbrytbart substrat der andre papiregenskaper er mindre viktige. Metallisert papir, tradisjonelt brukt som emballasjemateriale, har også vist seg å ha potensial for å brukes i kapasitive berøringspaneler.

Et annet interessant papirbasert materiale er grafenpapir, spesielt redusert grafenoksid (rGO) papiret, som har blitt dopet med sølvnanotråder. Dette materialet har vist stort potensial som anode- eller katodemateriale i energilagringsenheter, på grunn av sine utmerkede elektronstransfer-egenskaper og mekaniske styrke. Redusert grafenoksidpapir, etter funksjonalisering, har også blitt brukt i biomedisinske applikasjoner. Grafenoksidets funksjonelle grupper, som karbonyl, hydroksyl og epoksi, er svært verdifulle for elektrokjemisk deteksjon av fysiologiske signaturer.

Det er klart at ulike typer papir har blitt testet i utviklingen av sensorer og andre elektroniske enheter, og deres bruksområder er stadig i utvikling. Forskning har vist at papirets unike egenskaper – fra høy absorpsjon til fleksibilitet – gjør det til et ideelt materiale for forskjellige teknologiske applikasjoner. Dette gjelder både i energilagringsteknologier, som superkondensatorer og brenselceller, og i sensorer som benytter papir som et bærende eller funksjonelt substrat.

For en bedre forståelse av hvordan papir kan brukes i forskjellige teknologiske applikasjoner, har flere forskningsoversikter blitt publisert. Liu et al. (2017) ga en oversikt over papirmaterialer og produksjonsmetoder for elektroniske enheter basert på papir. Andre studier, som de av Korotcenkov et al. (2023) og Mahadeva et al. (2015), har utforsket spesifikke bruksområder, som papir som plattform for energilagring og sensorer, og hvordan papir kan brukes i fuktighetssensorer og mikro-enheter.

For å oppnå optimale resultater, er det viktig å forstå hvordan de ulike egenskapene til papir, som strukturell integritet, ledningsevne og kjemisk stabilitet, påvirker deres bruk i forskjellige applikasjoner. I tillegg er det viktig å vurdere hvordan papirens fysiske og elektrokjemiske egenskaper kan tilpasses ved hjelp av ulike modifikasjoner og funksjonaliseringsteknikker.

Papir som et substrat for sensorer og elektroniske enheter har enorme muligheter, og fremtidens utvikling vil trolig innebære enda mer avanserte papirbaserte materialer som kan erstatte tradisjonelle substrater i mange applikasjoner. Materialer som nanopapir, som er laget ved å bruke nanoteknologi for å forbedre papirets mekaniske og elektriske egenskaper, kan tilby en enda bredere rekke av muligheter for fremtidens elektronikk og energilagringsteknologier.