Trykkmetoder som involverer smeltet blekk på forskjellige substrater, opererer etter prinsipper som utnytter både varmens og blekkets spesifikke egenskaper. En av de vanligste metodene for påføring av blekk på substratet innebærer at det smeltede blekket, i henhold til substratets temperatur, enten størkner på overflaten eller blir absorbert i materialet – som i tilfelle oppvarmet papir. I tilfeller hvor spesialiserte skrivere som kan håndtere solid blekk benyttes for belegg, som for eksempel Xerox Phaser 8560N eller Xerox ColorQube 8570, er trykkprosessen mer en non-contact metode. Her påføres smeltet voks på substratet ved hjelp av prinsippet bak DOD-blekk (Drop on Demand), der små dråper voks blir påført uten direkte kontakt. I kontrast, når voks påføres et oppvarmet substrat via stemplede metoder, er trykking en kontaktteknikk.

Blekkene som brukes i denne trykkmetoden er vanligvis vokser som er faste ved romtemperatur og kan inneholde ulike organiske komponenter, inkludert fargestoffer. Denne egenskapen gjør voksbasert trykking spesielt nyttig i utviklingen av papirbaserte enheter, spesielt for applikasjon av hydrofobe lag i mikrofluidiske chips. Hydrofobe lag er nødvendige for å styre væskebevegelse i slike enheter. En viktig faktor å vurdere når man designer disse chipsene er at ved non-contact voksbasert trykking kreves ekstra varmebehandling av prøven for å smelte den påførte voksen og impregnere papiret med den. Denne ekstra behandlingen kan føre til at området med det hydrofobe laget avviker betydelig fra det opprinnelig trykte området.

I tilfelle av kontaktbasert voksprinting, der voksen vanligvis varmes opp i direkte kontakt med et varmt papirsubstrat, er det essensielt å optimalisere både substratets temperatur og stempletiden for å sikre riktig impregnering av substratet med et hydrofobt stoff. Denne teknikken gir muligheten til å styre tykkelsen og effektiviteten av laget som dannes, men også her kan det være nødvendig med etterbehandling i form av ekstra varmebehandling for å forbedre inntrengningen og adhesjonen til papiret. En stor utfordring er at siden flere av de kommersielt tilgjengelige skriverne for solid blekk ikke lenger er på markedet, er forskere tvunget til å benytte andre metoder som kontaktbasert voksprinting eller andre alternative teknologier.

En annen trykkmetode som også benyttes i produksjon av papirbaserte enheter er laserskriving. Denne metoden, som er godt kjent i hverdagen, fungerer også som en kontaktbasert metode. I laserskriving påføres en negativ elektrisk ladning på overflaten av en fotosensitiv rolle. Etter at ønskede områder på rullen er eksponert for laserlys og får fjernet ladningen, påføres toner på de laserbehandlede områdene, og denne toneren er i stand til å binde seg til de spesifikke områdene på substratet. Etterpå overføres toneren fra rullen til papiret. Denne prosessen innebærer at tonerpartiklene – som har en negativ ladning – kun vil feste seg til de behandlete områdene, og det ferdige papiret vil da være trykt med bildet.

For papirbaserte enheter har laserskriving tiltrukket seg oppmerksomhet av flere grunner. For det første er metoden lett tilgjengelig, ettersom laserprintere finnes i nesten hver husholdning og på de fleste arbeidsplasser. For det andre er tonere som benyttes i kommersielt tilgjengelige laserprintere, laget av blandinger som inkluderer styren-akrylatkopolymer, jernoksid og amorf silisiumoksid. Disse komponentene gir toneren hydrophobic egenskaper, som kan brukes til å skape hydrofobe lag på papir og dermed lage mikrofluidiske chips. Lasertrykk er blitt ansett som et alternativ etter at mange av de eldre skriverne som var egnet for voksbasert trykking, forsvant fra markedet.

En interessant observasjon fra forskning på laserskriving av μPAD (mikrofluidiske papirchips) er tendensen til å dekke nesten hele substratoverflaten med et hydrofobt lag, bortsett fra det antatte hydrophile kanalet. Dette kan gjøre det lettere å jobbe med slike enheter, men et problem som kan oppstå er at konvensjonell laserskriving, uten tilleggsbehandling, ikke alltid vil trenge dypt nok inn i papiret for å skape den nødvendige impregneringen. Forskning viser at for å oppnå optimal dybde for impregneringen, er det nødvendig med en ekstra varmebehandling der det trykte produktet oppbevares i 10-30 minutter ved temperaturer mellom 100 og 160 °C. Denne behandlingen gjør at toneren mykner, og polymerkomponentene kan trenge dypere inn i papiret.

Videre har noen forskere utviklet egne tonere for bruk i produksjon av mikrofluidiske chips. For eksempel har Liu et al. utviklet en funksjonell toner basert på Fe3O4 som er modifisert med oleinsyre og oktadekylamin, og deres forskning har vist en økning i de hydrofobe egenskapene sammenlignet med kommersielt tilgjengelige tonere.

En annen avansert trykkmetode som kan benyttes i produksjon av papirbaserte enheter er gravuretrykk. Dette er en kontaktbasert metode som ligner på flexografisk trykk, men det er noen viktige forskjeller. Gravuretrykk benytter en gravure-sylinder som trekker blekket direkte fra et reservoar og påfører det på substratet via trykkmekanismen. Denne metoden har fordelen av høy hastighet og effektivitet, men en ulempe er behovet for å lage en spesifikk gravure-sylinder for hver oppgave, noe som kan gjøre det mer kostbart ved små produksjonsserier.

Gravuretrykk er spesielt lovende for masseproduksjon av enheter som krever påføring av ledende materialer som sølv- og karbonblekk på papirsubstrater. Denne teknologien kan derfor være viktig i produksjonen av papirsensorer og andre enheter som bruker mikroelektronikk, ettersom den kombinerer høy produksjonshastighet med god oppløsning og presisjon.

Hvordan nanocellulose revolusjonerer elektroniske enheter og sensorer

Nanocellulose, spesielt nanofibrillert cellulose (NFC), har de siste årene fått økt oppmerksomhet som et substrat for elektroniske enheter og sensorer. I motsetning til tradisjonelle papirmaterialer og plast, tilbyr nanocellulose en rekke fordeler som gjør den ideell for fremtidens fleksible elektronikk. Nanocellulose består av svært tynne fibriller med en diameter på kun 20–40 nm, og disse fibrillene kan strekke seg over flere mikrometer. Denne unike strukturen gir nanocellulose en høy spesifikk overflate og et svært lavt porøsitetsnivå, noe som gjør den svært egnet som underlag for trykkede elektroniske komponenter.

En av de mest bemerkelsesverdige egenskapene ved nanocellulose er dens lavere overflateruhet sammenlignet med tradisjonelt papir. Denne egenskapen er avgjørende når det gjelder trykking av ledende baner, ettersom den gir bedre trykkkvalitet og lavere motstand. For eksempel viste Hsieh et al. (2013) at motstanden på trykte linjer på et NFC-substrat var 180 ganger lavere enn på tradisjonelt papir. I tillegg har nanocellulose, som består av fornybare naturmaterialer, overlegne kjemiske, mekaniske og termiske egenskaper i forhold til både tradisjonelt papir og plast. Dette gjør at nanocellulose kan håndtere mer krevende miljøer, som fuktighet og høye temperaturer, samtidig som den beholder strukturen bedre enn vanlig papir.

Nanocellulose er ikke bare fleksibel og lett, men den er også utrolig holdbar, noe som gjør den til et ideelt materiale for utvikling av fleksible transistorer og elektroniske kretser. En organisk felt-effekt transistor (OFET) ble for første gang laget på papir av Eder et al. (2004), og siden da har forskere benyttet nanocellulose som substrat i både organiske og uorganiske transistorer. Fordelen med å bruke nanocellulose som substrat er at det gir både høyere ytelse og bedre mekaniske egenskaper enn tradisjonelt papir. For eksempel viste Fujisaki et al. (2014) at ved å bruke nanocellulose substrater kunne transistorens ytelse forbedres betraktelig.

I tillegg til bruk i transistorer, har nanocellulose blitt brukt til å utvikle papirbaserte antenner. Nanocellulose-substrater, som de laget av Nogi et al. (2013), har vist seg å redusere tilbaketapet ved resonanspunktene i V-formede trykte antenner basert på sølvblekk. Papirbaserte antenner er essensielle i enheter som radiofrekvensidentifikasjon (RFID), som brukes til å spore objekter via elektromagnetiske signaler.

En annen viktig applikasjon for nanocellulose er i utviklingen av kjemiske og gass-sensorer, som for eksempel fuktighetssensorer og biosensorer. Nanocellulose har vist seg å være et utmerket substrat for disse sensorene, ettersom den reagerer raskt og reversibelt på fuktighetsendringer. Li et al. (2014) viste at nanocellulose baserte sensorer kunne oppdage fuktighet med høy presisjon, mens Giese et al. (2014) demonstrerte at cellulosenanopapir gjennomgikk rask og reversibel fargeforandring ved svelling, noe som åpner for bruk i optiske fuktighetssensorer.

De mekaniske egenskapene til nanocellulose gir også en stor fordel. Ved å bruke et nettverk av sammenvevde nanocellulosefibriller, kan nanopapir motstå både trykk og strekk mye bedre enn vanlig papir. Det har vist seg at mekanisk styrke av nanocellulosepapir kan være opptil ti ganger bedre enn vanlig papir, og styrken kan sammenlignes med polymermaterialer som PET (Henriksson et al., 2008). Dette gir nanocellulose et klart fortrinn i utviklingen av fysiske sensorer og aktuatorer, som for eksempel energihøstere basert på nanopapir, som kan generere strøm ved mekanisk stress. Gao et al. (2016) rapporterte at et nanopapir-basert energihøster kunne produsere opptil 84,4 μW og fungerte stabilt etter 54,000 sykluser.

Det er imidlertid viktig å merke seg at egenskapene til nanocellulose kan variere avhengig av produksjonsteknologien. Chinga-Carrasco et al. (2012) undersøkte forskjellige typer CNF-filmer laget ved støping og fordampning, og fant at høyere porøsitet førte til dårligere trykkoppløsning og mindre god elektrisk ledningsevne. De viste også at behandling av CNF med hexamethyldisilazan (HMDS) kunne redusere overflatespenningen og forbedre fleksibiliteten. Slike endringer i produksjonsprosessen er avgjørende for å oppnå de ønskede egenskapene til nanopapir og dermed de elektroniske komponentene som skal bygges på dette materialet.

Nanocellulose har et enormt potensial for fremtidens elektronikk og sensorer. Med sine overlegne mekaniske, kjemiske og termiske egenskaper kan det være med på å revolusjonere flere industrier, fra fleksible elektroniske enheter til avanserte sensorer som reagerer på miljøforandringer. Det er imidlertid viktig å forstå at for å maksimere effekten av nanocellulose, må produksjonsmetoder og applikasjoner tilpasses de spesifikke kravene til hvert prosjekt.

Hvordan silanisering og kjemisk modifikasjon av nanocellulose kan forbedre materialegenskaper og funksjonalitet

Nanocellulose, et biomateriale med bemerkelsesverdige mekaniske egenskaper, har tiltrukket stor interesse for et bredt spekter av industrielle applikasjoner. Imidlertid er det ofte nødvendig å modifisere nanocelluloses overflate for å forbedre dens kompatibilitet med andre materialer, øke dens funksjonalitet eller forbedre spesifikke egenskaper som vann- og oljebestandighet, termisk stabilitet, eller biokompatibilitet. Kjemisk modifikasjon av nanocellulose, som silanisering, acetylering, urethanisering og amidation, spiller en nøkkelrolle i å tilpasse materialets egenskaper til spesifikke anvendelser.

En av de mest effektive metodene for å endre egenskapene til nanocellulose er silanisering. Denne prosessen involverer tilsetning av silaner til nanocellulosen, som fungerer som koblingsmidler på grunn av deres sterke tiltrekning til hydroksylgrupper. Silanene reagerer med de hydroksylgruppene på nanocelluloseoverflaten og danner Si–O–C bindinger gjennom kondensasjonsreaksjoner som skjer ved høyere temperaturer. Silanisering kan gjøre nanocellulose både hydrofob og kompatibel med organiske løsemidler, noe som er avgjørende for applikasjoner der dispergering i slike medier er viktig. Ulike silaner kan brukes til å tilføre spesifikke funksjoner til nanocellulose, for eksempel aminosilaner som kan gi antibakterielle egenskaper.

En annen viktig modifikasjon er acetylasjon, der hydroksylgruppene på nanocellulosen blir erstattet med acetylgrupper. Denne prosessen gjør nanocellulose mer hydrofob og kan tilpasses for å fremme bedre dispersjon i både polare og upolare løsemidler. Acetylasjon kan utføres ved hjelp av eddiksyreanhydrid og eddiksyre i nærvær av svovelsyre eller perklorsyre. Graden av substitusjon er viktig for å bestemme nanocellulosenes dispersjonsegenskaper, og det er mulig å justere denne graden for å tilpasse materialet til spesifikke løsninger eller applikasjoner. Imidlertid kan fullstendig substitusjon være utfordrende på grunn av de sterke hydrogenbindingene mellom cellulosemolekylene.

Urethanisering, en annen kjemisk modifikasjon, involverer reaksjonen mellom isocyanatgrupper og hydroksylgruppene på nanocellulosen. Denne prosessen danner urethane-bindinger, som gir nanocellulosen økt hydrofobicitet og forbedret dispersjon i organiske medier. Urethanisering kan også øke materialets mekaniske egenskaper ved å tillate dannelse av nanokompositter med polymerer som polylaktid (PLA), som har forbedret termisk og mekanisk stabilitet.

Amidation av nanocellulose, på den annen side, er en prosess som innebærer reaksjon mellom nanocelluloses karboksylgrupper og aminer for å danne amidbindinger. Denne metoden benyttes ofte for selektiv adsorpsjon eller som et verktøy for å utføre fargetests eller fluorometriske analyser. Amidation kan utføres ved bruk av karbodiimider, som er reaktive forbindelser som kan katalysere dannelsen av amidbindinger mellom cellulose og forskjellige funksjonelle grupper.

Det er viktig å forstå at selv om kjemisk modifikasjon kan gi nanocellulose en rekke ønskelige egenskaper, kommer disse endringene ofte med visse utfordringer. For eksempel kan silanisering og acetylasjon innebære bruk av organiske løsemidler og høye temperaturer, noe som kan ha en miljøpåvirkning. Derfor er det avgjørende å vurdere bærekraften av de valgte metodene, spesielt når det gjelder applikasjoner i matvarer eller medisinske produkter.

Videre bør man være oppmerksom på at kjemisk modifikasjon av nanocellulose kan påvirke dens biologiske nedbrytbarhet, som er en viktig egenskap i mange miljøvennlige applikasjoner. Den kjemiske stabiliteten og interaksjonene mellom modifiserte nanocellulosefibre og andre materialer i sammensatte produkter kan variere avhengig av den spesifikke modifikasjonen og bruksområdet. For eksempel kan silanisering gi svært stabile og hydrofobe overflater som er nødvendige for elektroniske eller medikamentleveringssystemer, men som kan være mindre nedbrytbare sammenlignet med andre modifikasjoner som fremmer biologisk nedbrytning.

Det er også viktig å merke seg at modifikasjonene kan føre til en endring i den optiske og mekaniske ytelsen til nanocellulose, som i tilfelle med superhydrofobe overflater som opprettholder materialets integritet uten å svekke dets mekaniske styrke. Derfor bør valget av modifikasjonsteknikk tilpasses applikasjonens spesifikke krav, der både de fysiske og kjemiske egenskapene til materialet vurderes i forhold til den ønskede ytelsen.

Hvordan kan vi forstå nevroutvikling og dens variasjoner?