W ostatnich latach rozwój papierowych elektrochemicznych czujników zyskuje na znaczeniu, szczególnie w kontekście diagnostyki medycznej i środowiskowej. Te innowacyjne urządzenia, oparte na prostych, tanich i łatwych do produkcji materiałach, stwarzają możliwość szerokiego zastosowania w diagnozach w miejscach o ograniczonych zasobach. Takie czujniki oparte są na tradycyjnym trójelektrodowym systemie (elektroda robocza, odniesienia i przeciwwagi), który jest odtwarzany na papierze. Do druku elektrod na papierze wykorzystywane są tusze przewodzące, takie jak złoto, platyna, węgiel, grafen czy srebro, przy czym najczęściej stosowaną pastą do elektrody odniesienia jest pasta srebro/srebro chlorku ze względu na jej stabilność. Z kolei tusz węglowy, wykorzystywany do elektrody roboczej i przeciwwagi, jest ceniony za niski koszt oraz szerokie okno potencjałów w rozpuszczalnikach wodnych.

Czujniki elektrochemiczne działają poprzez produkcję wolnych elektronów w wyniku reakcji chemicznych zachodzących między enzymami lub innymi bioreceptorami, a substancjami docelowymi, takimi jak glukoza czy antygeny. Zmiany w natężeniu prądu lub napięciu są następnie wykorzystywane do detekcji i pomiaru stężenia analizowanych substancji. Najczęściej wykorzystywaną metodą analizy elektrochemicznej jest amperometria, czyli pomiar zmian prądu i napięcia w odpowiedzi na zmiany stężenia analitu. Oprócz amperometrii, badane są również inne metody analityczne, takie jak potencjometria, woltamperometria, czy elektrochemiluminescencja.

Jednym z bardziej obiecujących zastosowań papierowych czujników elektrochemicznych jest diagnostyka w miejscu opieki (POC, Point-of-Care), szczególnie w krajach rozwijających się. Dzięki niskim kosztom produkcji, łatwości użycia, odporności na warunki środowiskowe oraz szybkim wynikom, takie urządzenia stają się obiecującą alternatywą dla tradycyjnych, drogich i skomplikowanych urządzeń diagnostycznych. Dodatkowo, wykorzystywanie papieru jako materiału bazowego pozwala na tworzenie urządzeń elastycznych, jednorazowych, a także biodegradowalnych, co czyni je ekologiczną opcją.

Papierowe elektrochemiczne czujniki były już testowane w wykrywaniu metali ciężkich, substancji metabolicznych, białek, wirusów oraz komórek. Mimo obiecujących wyników, wciąż istnieją wyzwania związane z ich masową produkcją i zapewnieniem powtarzalności wyników w różnych warunkach testowych, takich jak wilgotność, temperatura czy złożoność próbek. Wymaga to dalszego rozwoju technologii oraz standaryzacji procesów produkcyjnych.

Pomimo tych trudności, papierowe czujniki elektrochemiczne oferują ogromny potencjał w wielu dziedzinach, w tym w monitorowaniu interakcji biomolekularnych, takich jak reakcje przeciwciało-antygen, DNA-protein czy receptor-ligand. Jednym z przykładów jest rozwój elektrochemicznych immunosensorów do detekcji Staphylococcus aureus, które wykazują stabilność przez miesiące oraz wysoką czułość w detekcji patogenów.

W ciągu ostatnich kilku lat znaczną uwagę poświęcono również wykorzystaniu papieru jako substratu dla innych typów czujników, takich jak czujniki temperatury, naprężeń, światła, pH, gazów, a także monitorujące wilgotność czy oddychanie. Dzięki ciągłemu rozwojowi tych technologii, oczekuje się dalszego rozszerzania zastosowań czujników papierowych, zwłaszcza w miejscach o ograniczonych zasobach.

Wciąż jednak napotykamy na problemy związane z wyborem materiałów aktywnych. Celulozowe włókna papieru, choć korzystne pod względem przyczepności i przechowywania, mogą wpływać na obniżenie przewodności, co w przypadku elektroniki o dużej pojemności może stanowić ograniczenie. Dodatkowo, materiały hydrofobowe, które poprawiają mobilność elektronów, mogą utrudniać transport biofluidów w biosensorach. Wyzwania te wymagają dalszych badań nad stabilnością i trwałością papierowych urządzeń elektrochemicznych, zwłaszcza, że włókna celulozowe są słabsze od tradycyjnych materiałów polimerowych i wrażliwe na wilgoć.

W związku z tym konieczne jest prowadzenie dalszych prac badawczo-rozwojowych oraz intensyfikacja współpracy między środowiskiem akademickim a przemysłowym, aby przełamać bariery technologiczne i umożliwić komercjalizację elastycznych papierowych urządzeń elektronicznych do użytku codziennego.

Jak działają mechanizmy fotochemiczne i fototermiczne w produkcji laserowo indukowanego grafenu oraz ich zastosowania w elektronice papierowej?

Laserowo indukowany grafen (LIG) powstaje dzięki precyzyjnemu działaniu promieniowania laserowego, które na poziomie molekularnym może bezpośrednio łamać wiązania chemiczne. Przy niskiej fluencji laserowej (<1 J/cm²) procesy fotochemiczne dominują i zgodność teoretycznych modeli z danymi eksperymentalnymi jest wysoka. Jednakże wraz ze wzrostem energii lasera zaczyna odgrywać rolę efekt termiczny, który wynika z podwyższenia temperatury spowodowanego niepromienistymi przejściami na poziomie molekularnym. W efekcie proces powstawania LIG ma charakter mieszany, fotochemiczno-fototermiczny, co komplikuje jego precyzyjne opisanie i wymaga uwzględnienia obu tych mechanizmów.

Do produkcji LIG wykorzystywane są różne materiały wyjściowe, takie jak tlenek grafenu, polimery (szczególnie poliimid, ale także żywice fenolowe czy fotoopory), drewno, tekstylia, żywność oraz papier. Różnorodność źródeł węglowych otwiera perspektywy recyklingu odpadów, ale jednocześnie istotnie wpływa na jakość powstałego grafenu. Często materiał wyjściowy determinuje, czy powstanie wysokiej jakości grafen, czy raczej amorficzny węgiel o ograniczonych właściwościach przewodzących. Warto zaznaczyć, że jakość LIG jest generalnie niższa niż grafenu otrzymywanego metodami chemicznymi (rozpuszczalnikowymi) lub techniką CVD (Chemical Vapor Deposition).

Początkowo do produkcji LIG używano głównie laserów CO₂, działających na długości fali 10,6 µm, jednak współczesne technologie sięgają po lasery ekscymerowe, lasery diodowe, lasery UV, lasery stanu stałego w bliskiej podczerwieni oraz lasery femtosekundowe. Dobór lasera i parametrów procesu jest kluczowy dla uzyskania optymalnej struktury i właściwości materiału.

Laserowo indukowany grafen i struktury węglowe powstające metodą bezpośredniego wypalania laserowego (Direct Laser Writing – DLW) znajdują zastosowanie w nowoczesnej elektronice papierowej. Przykładem jest wykorzystanie papieru pochodzącego z odpadów organicznych (np. resztek owoców) do produkcji elektrochemicznych sensorów i kondensatorów równoległych. Takie elementy elektroniczne są przyjazne środowisku, gdyż można je łatwo rozłożyć w naturalnych warunkach lub wykorzystać do wspomagania kiełkowania roślin.

Procesy karbonizacji na powierzchni papieru prowadzone są przy pomocy impulsowego lasera CO₂, a optymalizacja parametrów, takich jak moc lasera, prędkość skanowania i czas zanurzenia materiału w roztworze opóźniacza palenia, pozwala uzyskać minimalny opór powierzchniowy i stabilne właściwości elektryczne. Na przykład, karbonizowane warstwy na papierze jabłkowym osiągnęły opór powierzchniowy rzędu 366 Ω/sq., co jest dobrym wynikiem dla tego typu materiałów.

Sensory elektrochemiczne z wykorzystaniem LIG wykazały zdolność do wykrywania ferrocenu z wynikami porównywalnymi do komercyjnych elektrod węglowych. Dodatkowo, na papierze poddanym utlenianiu metodą TEMPO powstały odporne na wilgoć elektrody, które posłużyły do stworzenia sensorów wilgotności opartych na przewodnictwie jonów sodu. Ich stabilność w czasie, odporność na wielokrotne zginanie oraz precyzja w detekcji wilgotnych obiektów (np. palca ludzkiego) oraz procesów biologicznych (oddychanie, pocenie się) podkreślają potencjał praktyczny tych urządzeń. Co więcej, te sensory mogą być wykorzystane do monitoringu transpiracji roślin, co otwiera nowe możliwości w ekologii i rolnictwie.

Laserowo indukowany grafen znalazł także zastosowanie w planarnej mikro-superkondensatorach (MSC) tworzonych na bazie papieru. Elektrody o interdigitalnej geometrii z LIG, pokryte elektrolitem na bazie żelu PVA/H₂SO₄, wykazały wysoką pojemność powierzchniową (4,6 mF/cm²) oraz znakomitą stabilność cykliczną (ponad 10 000 cykli). Niestety, urządzenia te mają problem z utratą pojemności przy dużym zginaniu, co można jednak poprawić odpowiednim uszczelnieniem konstrukcji.

Wprowadzanie do elektrod z LIG nanostruktur tlenków metali, jak MnOx, pozwala na znaczące zwiększenie pojemności właściwej, nawet dziesięciokrotnie, przy jednoczesnym zachowaniu dobrej wytrzymałości mechanicznej podczas zginania. Takie kompozyty otwierają drogę do rozwoju elastycznych, wydajnych i tanich urządzeń magazynujących energię.

Ważne jest, aby czytelnik zdawał sobie sprawę z tego, że jakość oraz funkcjonalność laserowo indukowanego grafenu są silnie zależne od wyjściowego materiału węglowego i parametrów procesu laserowego. Ponadto, choć technologia LIG daje obiecujące możliwości w elektronice papierowej i urządzeniach elastycznych, jej rozwój wymaga rozwiązania wyzwań związanych z trwałością mechaniczną oraz powtarzalnością właściwości materiału. Rozwój optymalnych metod syntezy i wzbogacania struktur LIG (np. poprzez modyfikacje nanokompozytowe) będzie kluczowy dla komercjalizacji i upowszechnienia tej technologii w przyszłości.

Jak ocenić odpowiedź impulsową kanału akustycznego?
Jak uchwycić teksturę i refleksy na produkcie w fotografii studyjnej?
Jakie są najnowsze metody fotokatalitycznej syntezy pięcioczłonowych N-heterocykli?
Jakie właściwości mają nanokompozyty z boru azotu w kontekście ich zastosowań technologicznych?
Jakie jest znaczenie uczciwego postępowania w trudnych sytuacjach?