Jakie są możliwości i zalety technologii druku w produkcji papierowych urządzeń funkcjonalnych?

Technologie druku, będące przykładem szeroko pojętych technologii addytywnych, opierają się na nakładaniu warstw atramentu – ciekłego lub stałego – za pomocą specjalistycznego sprzętu, który określa precyzyjny kształt nanoszonej powłoki. Ta metoda ma długą historię, pierwotnie służąc do przekazywania informacji na papierze. Obecnie jednak techniki drukowania zyskują coraz większe zainteresowanie badaczy w kontekście wytwarzania funkcjonalnych urządzeń opartych na papierze.

Przewagą tych technologii jest ich prostota, niskie koszty produkcji, łatwość skalowania i automatyzacji oraz zdolność do tworzenia bardzo złożonych struktur geometrycznych bez konieczności stosowania masek. Szczególnie istotne jest to w przypadku nanoszenia barier hydrofobowych do produkcji mikrofluidycznych układów papierowych (μPAD). Techniki te cechuje też wysoka kompatybilność z różnymi rodzajami papieru, w tym filtracyjnym, chromatograficznym i powlekanym.

Inną ciekawą techniką jest tzw. drukowanie „atomową pieczątką”, które w pewnym stopniu przypomina fleksografię, jednak zamiast obrotowego cylindra stosuje się nieruchomą strukturę mikro-porowatą, pełniącą rolę pieczątki. Obszary, na których atrament nie ma być nanoszony, tworzą wgłębienia. Metoda ta jest prosta, a zastosowanie lasera do wzorcowania pieczątki pozwala na osiągnięcie szerokości bariery hydrofobowej i kanału hydrofilowego około 300 μm, co potwierdzono eksperymentalnie na przykładzie papierowych mikrofluidycznych układów służących do ekstrakcji ciężkich jonów.

Ogólnie, wśród najczęściej wykorzystywanych technik drukowania do wytwarzania papierowych urządzeń funkcjonalnych wymienia się: druk atramentowy (inkjet), sitodruk, druk woskiem (choć ten ostatni jest dziś mniej popularny z powodu wycofywania się odpowiednich drukarek z rynku), druk laserowy, fleksografię oraz druk wklęsły (grawiurę). Różnorodność technik pozwala dobrać metodę do konkretnego zadania – od nanoszenia bariery hydrofobowej po wytwarzanie elementów elektronicznych takich jak elektrody superkondensatorów, sensory gazowe, tranzystory czy urządzenia elektrochromowe.

Kluczową zaletą technologii drukowania jest możliwość tworzenia funkcjonalnych, tanich i łatwo skalowalnych papierowych urządzeń, które dzięki różnorodności stosowanych atramentów i kompatybilności z wieloma typami papieru, mogą znaleźć szerokie zastosowanie w elektronice, mikrofluidyce oraz czujnikach.

Ważne jest zrozumienie, że pomimo wielu zalet, techniki drukowania wymagają dokładnej optymalizacji parametrów procesów, takich jak lepkość atramentu, właściwości podłoża, precyzja nanoszenia czy interakcja między atramentem a papierem, by uzyskać optymalne właściwości użytkowe urządzeń. Zastosowanie nowoczesnych nanomateriałów oraz zaawansowanych struktur papierowych otwiera szerokie perspektywy rozwoju papierowej elektroniki i mikrofluidyki, ale także stawia wyzwania związane z trwałością, stabilnością chemiczną i mechaniczną otrzymanych struktur.

Jak materiały kompozytowe na bazie nanowłókien srebra mogą poprawić właściwości elektrod papierowych

W ostatnich latach rozwój technologii elastycznych elektrod prowadzi do coraz szerszego zastosowania materiałów kompozytowych w różnych urządzeniach elektrochemicznych, w tym w ogniwach bateryjnych, superkondensatorach i czujnikach. W kontekście produkcji elektrod papierowych, jednym z kluczowych materiałów są kompozyty zawierające nanowłókna srebra (AgNWs) oraz grafen. Srebro, dzięki swojej doskonałej przewodności elektrycznej, jest materiałem wykorzystywanym do produkcji elektrod w różnych technologiach, jednak metalowe elektrody nie zawsze spełniają wymagania stawiane przed nowoczesnymi urządzeniami elektrochemicznymi. Często brak im wystarczającej stabilności i odporności na długoterminowe eksploatowanie w zmiennych warunkach.

Co więcej, elektody na bazie AgNW-GO charakteryzują się także wyjątkową odpornością na wielokrotne zginanie. W testach wykonanych przez Liu et al. (2017a) okazało się, że po 1000 cyklach zginania przewodność elektrod AgNW-GO pozostała niemal nienaruszona, co czyni je niezwykle trwałymi w zastosowaniach wymagających elastyczności, takich jak czujniki elastyczne czy papierowa elektronika.

Kolejną ważną cechą elektrod papierowych wykonanych z takich kompozytów jest ich zdolność do łatwego przetwarzania i kształtowania. Dzięki elastyczności papierowych elektrod możliwe staje się tworzenie skomplikowanych struktur, które mogą być zastosowane w nowoczesnych urządzeniach energetycznych, takich jak superkondensatory czy elastyczne ogniwa słoneczne. Dodatkowo, ze względu na łatwość wytwarzania cienkowarstwowych powłok na papierze, możliwe jest tworzenie urządzeń o wysokiej wydajności energetycznej, które są lekkie, elastyczne i niedrogie w produkcji.

Przewodność elektryczna papierowych elektrod opartych na kompozytach AgNW-GO jest w dużej mierze wynikiem doskonałej struktury sieci przewodzącej, którą tworzą nanowłókna srebra. Ponadto, sama struktura papieru odgrywa istotną rolę w poprawie wydajności magazynowania ładunku. Otwórki i porowatość papieru umożliwiają szybki transfer jonów, co prowadzi do wysokiej pojemności elektrod oraz ich zdolności do szybkiego ładowania i rozładowywania.

Oprócz wspomnianych zalet, ważnym atutem kompozytów AgNW-GO jest ich stosunkowo niska kosztowność produkcji w porównaniu z tradycyjnymi materiałami wykorzystywanymi do produkcji elektrod, takimi jak ITO (indium tin oxide) czy grafen. Takie kompozyty stanowią obiecującą alternatywę w produkcji energooszczędnych, trwałych i tanich urządzeń elektrochemicznych, co czyni je idealnym materiałem do zastosowań w papierowej elektronice oraz innych innowacyjnych technologiach.

Dla dalszego rozwoju tej technologii, ważnym aspektem jest również optymalizacja procesu wytwarzania kompozytów, w tym dobór odpowiednich metod nanoszenia powłok na papier. Metody takie jak polimeryzacja w oparciu o roztwory o niskiej koncentracji, polimeryzacja gazowa czy nanoszenie z rozpuszczalników organicznych wykazały obiecujące wyniki, pozwalając na uzyskanie cienkowarstwowych powłok o pożądanych właściwościach mechanicznych i elektrochemicznych.