Hvordan mikroskriverteknologi endrer fremtidens papirbaserte enheter

Mikroskriverteknologi har vist seg å være en lovende metode innen fremstilling av papirbaserte enheter, spesielt i sammenheng med funksjonelle sensorer og komponenter som superkondensatorer. Denne teknologien er basert på å bruke vibrasjoner fra en piezoelektrisk generator for å få blekkdråper til å forlate kapillaren og påføre dem på et substrat. Et annet alternativ er å bruke meniskblekk ved kapillarets tupp for å overføre væsken til overflaten. Denne metoden har flere fordeler sammenlignet med tradisjonell blekkskrivering, som ikke krever spesialpatroner som er vanskelige å bytte og ofte blir tette med faste blekkfaser. Mikroskriving gjør det mulig å bruke relativt viskøse blekk, opptil 450 cP, som gir økt fleksibilitet i prosessen (Simonenko et al., 2021, 2022).

De siste årene har trykkteknologier som et verktøy for produksjon av funksjonelle papirbaserte enheter tiltrukket seg stor forskningsinteresse. Trykking har blitt brukt i hundrevis av år til å påføre forskjellige typer belegg på papir, i begynnelsen for å formidle informasjon, men nå også for å lage mer avanserte enheter som sensorer og kondensatorer. Dette skjer på grunn av de mange fordelene trykkmetodene tilbyr, som enkelhet, lave produksjonskostnader, muligheten for enkel skalering og automatisering, samt evnen til å lage svært komplekse geometriske strukturer uten bruk av masker. For eksempel kan trykkmetoder brukes til å påføre hydrofobe barrierer på papir, noe som åpner for utviklingen av mikrofluidiske chips for μPADs (mikropapirmikrofluidiske enheter).

Det finnes et bredt spekter av trykkmetoder tilgjengelig, og de blir valgt avhengig av hva som skal oppnås. Eksempler på vanlige teknikker inkluderer blekkskriver, skjermtrykk, voksprinting (selv om denne metoden er i ferd med å forsvinne fra markedet), lasertrykk, flexografi og gravyrtrykk. Disse metodene kan brukes til å fremstille elektrochromiske enheter, gassensorer, transistorer og elektroder for superkondensatorer. Fordelene ved trykkteknologier har gitt grobunn for en økning i antallet studier som er viet til utvikling av papirbaserte enheter, samt implementeringen av disse funnene i masseproduksjon.

I tillegg til de teknologiske fremskrittene, er det viktig for leseren å forstå de praktiske utfordringene som fortsatt finnes. For eksempel er kvaliteten på blekket og dets sammensetning avgjørende for å oppnå ønskede funksjoner i de resulterende enhetene. Feil i blekkets viskositet eller sammensetning kan føre til dårlig ytelse, noe som kan være spesielt problematisk i sensitive applikasjoner som helse- og medisinsk overvåkning. Det er også viktig å merke seg at de teknologiene som her diskuteres fortsatt er i utviklingsfasen, og at implementeringen av disse i stor skala krever ytterligere forskning og optimalisering for å møte industristandarder og regulatoriske krav.

Hvordan laserindusert grafen kan revolusjonere bærekraftig elektronikk og sensorteknologi

Laserindusert grafen (LIG) representerer en av de mest innovative teknologiene for produksjon av grafenbaserte materialer, spesielt i konteksten av bærekraftige elektroniske enheter. Denne teknologien bruker lasere til å ablere og omdanne organiske materialer til grafenstrukturer på et nanonivå. Spesielt interessant er det at LIG kan produseres fra en rekke forskjellige kilder, fra grafenoksid og polymerer til treverk, tekstiler, matavfall og papir. Dette åpner muligheter for gjenbruk og resirkulering, noe som er avgjørende for utviklingen av miljøvennlige løsninger.

Ved lave laserfluks (<1 J/cm²), forutsier de teoretiske modellene at fotokjemiske effekter alene kan forklare ablasjonsraten, og disse resultatene samsvarer godt med eksperimentelle data. Men ved høyere fluksivåer blir termiske effekter mer fremtredende, og en kombinert fototermisk og fotokjemisk mekanisme må vurderes. Dette fenomenet skyldes temperaturoppbygging som følge av molekylære energinivåer og strålingsfrie hopp-prosesser. Når man jobber med LIG, er det derfor viktig å forstå hvordan både de fotokjemiske og fototermiske effektene spiller inn, og hvordan disse kan optimaliseres for å produsere grafen med ønsket kvalitet.

Materialkvaliteten som oppnås fra laserteknologier som LIG, er generelt lavere enn den som produseres ved løsninger eller CVD-metoder, spesielt når det gjelder sammensetning og struktur. Dette kan føre til at materialene som fremstilles, i noen tilfeller, bare har amorft karbon som resultat, snarere enn høyverdig grafen. Denne kvaliteten er sterkt avhengig av startmaterialets natur. For eksempel har forskning vist at når trebasert papir brukes som substrat, kan man skape interessante elektrolytiske sensorer og kondensatorer, som kan oppløses på miljøvennlig vis eller benyttes i biologiske prosesser, som plantevekst.

I en nylig studie ble det demonstrert hvordan papirmaterialer laget av fruktavfall ble brukt til å lage elektro-kjemiske sensorer og kondensatorer ved hjelp av DLW-metoden (Direct Laser Writing). Etter at papiret ble behandlet med en flammehemmende løsning, ble de laserinduserte karbonlagene dannet på overflaten, og resultatene viste at det var mulig å produsere sensorer med kapasitet til å måle ferrosene ved hjelp av syklisk voltammetri, med resultater nesten på nivå med kommersielle karbonbaserte sensorer.

I tillegg til sensorapplikasjoner har laserindusert grafen vist seg å ha stor verdi i utviklingen av mikro-superkondensatorer (MSC) på papirsubstrater. I studier har interdigital elektroder av LIG blitt laget med høy elektrisk ledningsevne og høy syklisk stabilitet. For eksempel ble det oppnådd en spesifikk kapasitans på 4,6 mF/cm², og enheten viste enestående stabilitet over 10 000 sykluser. Men det ble også vist at påkjenninger som bøyning av enhetene kan føre til betydelige tap av kapasitans, som kan minimeres ved riktig forseiling av enheten.

I tillegg til de tekniske aspektene ved LIG, som inkluderer materialkvalitet og prosessforhold, er det viktig å merke seg de forskjellige anvendelsene i elektronikk. LIG-basert teknologi har potensial til å revolusjonere papirbaserte elektroniske enheter, inkludert sensorer, kondensatorer og mikro-superkondensatorer, som kan brukes i alt fra bærekraftig forbrukerelektronikk til sensorer for overvåking av biologiske prosesser og miljøforhold. Dette åpner for både kommersiell og samfunnsnyttig innovasjon, hvor resirkulering og miljøvennlige materialer står sentralt.

Selv om teknologien har kommet langt, er det fortsatt utfordringer knyttet til optimalisering av LIG-prosessene. For eksempel må det utvikles mer effektive metoder for å håndtere de termiske effektene og sikre at den grafen som dannes, har tilstrekkelig høy kvalitet for spesifikke bruksområder. Teknologisk innovasjon innen laseroptikk, samt nye metoder for behandling av substrater og forbedring av elektriske egenskaper, vil spille en avgjørende rolle i videre utvikling.

Hvordan kjemisk modifikasjon av cellulose har utviklet seg

Cellulose har gjennomgått en betydelig forvandling de siste to tiårene, drevet av økt interesse for bærekraftige og biobaserte materialer. Blant de vanligste kjemiske modifikasjonene av cellulose finner vi esterifisering, eterifisering og oksidasjon. Disse prosessene innebærer en nukleofil angrep fra hydroksylgruppene på cellulose, som reagerer med elektrofilt reagens. Imidlertid medfører den svake nukleofiliteten til hydroksylgruppene at produksjonen av cellulosederivater som CX, MC, HEC og CMC ofte krever høye mengder alkali.

For å forbedre reaktive egenskaper, deprotoneres hydroksylgruppene til alkoksi-grupper, som er mye mer nukleofile. Likevel, i vannbaserte medier konkurrerer disse gruppene med OH−-ioner, noe som kan føre til hydrolyse av de elektrofilt reagensene og depolymerisering av cellulose. Bruken av aprotiske organiske væsker eller spesifikke eutektiske løsemidler kan øke reaksjonseffektiviteten, men dette medfører høyere produksjonskostnader. Den svake nukleofiliteten til hydroksylgruppene er også en årsak til at direkte reaksjoner mellom hydroksylgrupper og karboksylsyrer, som eddiksyre eller propionsyre, ikke er vanlige. I stedet kombineres disse syrene med mer reaktive forbindelser som acetylandhydrid, propionylandhydrid eller butyrylandhydrid.

En viktig anvendelse av oksiderte cellulosederivater er DAC (dialdehyd-cellulose), som kan produseres ved periodat-oksidasjon og brukes som plattform for utvikling av flere andre cellulosederivater. Nanocellulose, både CNF (cellulose nanofibriller) og CNC (cellulose nanokristaller), har vært i fokus de siste årene, og utviklingen av disse materialene forventes å akselerere. Modifikasjoner som eterifiseringer og esterifiseringer, som tidligere var viktig for cellulosafiber, har også blitt brukt på nanoskalaen.

En av de store fordelene med nanocellulose er den høyere spesifikke overflatearealet, som åpner for nye muligheter for modifikasjoner som amidasjon, silan-kobling, hydrofobisering, aminering, og fosforylering. Disse modifikasjonene har blitt brukt til å utvide anvendelsene til tradisjonelle cellulosematerialer, men har et enda bredere potensial på nanocellulose.

Selv om cellulose er et biobasert materiale, benyttes mange vanlige derivatiseringsmidler, som etylenoksid og metylklorid, som produseres fra fossile ressurser. Det er rimelig å forvente at det i fremtiden vil skje et skifte mot naturlig forekommende agenter, som enzymer og fettsyrer fra planteoljer. Disse har imidlertid lav reaktivitet for direkte esterifisering av cellulose, men det er blitt foreslått at konvertering til FAME (fettsyreamid metylester) og påfølgende transesterifisering kan være en vellykket løsning.

I tillegg til disse modifikasjonene, som har revolusjonert bruken av cellulose, bør man forstå de teknologiske og økonomiske utfordringene som følger med disse endringene. Bruken av spesifikke løsemidler og reagenser, samt nødvendigheten av nøyaktig kontroll over reaksjonsbetingelser, er viktige faktorer som påvirker kostnadene og skalering av produksjon. Dermed er det viktig å veie de tekniske fordelene ved modifikasjonene mot de økonomiske realitetene for kommersiell produksjon. Fremtidige trender vil sannsynligvis inkludere økt forskning på naturlige og mer bærekraftige metoder for å modifisere cellulose, og hvordan disse kan integreres med avanserte kjemiske prosesser.

Hvordan Plasma Behandling Forbedrer Overflateegenskaper: Applikasjoner og Begrensninger

Plasmabehandling er en allsidig og effektiv metode for å modifisere overflateegenskaper på materialer som polymerer, metaller og keramer. I motsetning til korona-behandling, som foregår ved atmosfærisk trykk, kan plasmabehandling utføres under lavt trykk eller vakuum, og benytter ulike gasser for å oppnå spesifikke overflatemodifikasjoner. Denne prosessen utnytter interaksjonen mellom ioniserte gasser og materialoverflater, som resulterer i kjemiske og fysiske endringer som forbedrer egenskaper som vedheft, våtbarhet og biokompatibilitet.

For eksempel, oksygenplasmabehandling er ofte brukt for å øke overflatespenningen på polymerer ved å introdusere polare oksidative grupper på overflaten, som hydroksyl- og karbonylgrupper. Dette forbedrer vedheften til ulike belegg, lim og biomedisinske implantater, og gjør oksygenplasmabehandling svært effektiv i en rekke applikasjoner.

En annen type plasma, fluorholdig plasma som stammer fra tetrafluormetan, er svært effektivt for å redusere overflatespenningen og dermed skape hydrofobe overflater som frastøter vann og motstår forurensninger. Denne prosessen inkorporerer fluorholdige grupper og øker C=O-bindingene, noe som betydelig forbedrer hydrofobiteten til polyimidfilmer. Dette gir behandlingen evnen til å motstå biofoulings, og gjør behandlingen av materialer som polyimid mer effektiv i medisinske anvendelser, hvor bakteriekontaminasjon kan være et kritisk problem.

Utover polymerer, er plasmabehandling også viktig i elektronikkindustrien. Her brukes teknologien for å rense og aktivere overflatene på halvlederplater før litografiske og deponeringsprosesser. Dette sikrer god vedheft mellom de ulike lagene, forhindrer delaminering og forbedrer påliteligheten til elektroniske enheter. I produksjonen av trykte kretskort (PCB) brukes plasma også til overflateetsering og rengjøring, fjerning av fotoresistrester og forbedring av vedheftsegenskapene til kobberlagene på substratet.

Plasmabehandling har imidlertid sine begrensninger. Ett av de største utfordringene er aldring av overflaten. Den behandlete overflaten mister gradvis den forbedrede overflatespenningen over tid, spesielt når materialene utsettes for UV-lys eller termiske forhold. For eksempel vil polymerer som polyetylen (PE) kunne miste sine funksjonelle egenskaper når de utsettes for frie radikaler som angriper polymerkjeden, noe som fører til dannelsen av alkylradikaler og oksygenholdige grupper. Dette innebærer at behandlet materiale må håndteres og lagres forsiktig for å bevare de forbedrede egenskapene.

Selv om korona- og plasmabehandling er svært effektive, er det ikke nødvendigvis den beste løsningen for alle materialer. Polymere som er veldig stabile eller har høy motstand mot oksidasjon, reagerer kanskje ikke effektivt på korona-behandling, fordi de reaktive artene som genereres fra utladningen kanskje ikke er sterke nok til å induksere betydelige overflatemodifikasjoner. I slike tilfeller kan alternative behandlinger som plasma-behandling vurderes.

Det er viktig å forstå at de spesifikke egenskapene til hvert materiale bestemmer hvilken type behandling som vil være mest effektiv. For eksempel kan polymerer med god termisk stabilitet kreve mer spesifikke behandlingsmetoder, og plasma-behandling under lavt trykk kan gi bedre resultater enn korona-behandling i slike tilfeller. Når det gjelder bio- og miljørelaterte anvendelser, er det viktig å vurdere hvordan de ulike behandlingene påvirker materialets levetid, funksjonalitet og pålitelighet i den spesifikke applikasjonen.

Endtext