Výzkumný tým z Monashovy univerzity vyvinul technologii výroby vysoce koncentrovaných grafenových inkoustů vhodných pro 3D tisk.
Grafen je už dlouho považován za „zázračný materiál“. Je mimořádně pevný, výborně vede elektrický proud a tvoří ho jediná vrstva atomů. Díky tomu je slibný pro ohebnou elektroniku, nositelná zařízení nebo tištěné senzory. Přesto se dosud nedařilo připravit vhodné grafenové inkousty, které by byly dostatečně tekuté pro průmyslový tisk bez přísad zhoršujících jejich vlastnosti.
Výzkumný tým z Monashovy univerzity nyní představil způsob, jak tuto komplikaci překonat. Vyvinuli výrobní postup vysoce koncentrovaných grafenových inkoustů, které si zachovávají potřebné vlastnosti pro 3D tisk. Jde o nový materiál odvozený od grafenu DB-rGtO (dense-block reduced graphite oxide). Na rozdíl od plochých grafenových plátků má podobu trojrozměrných bloků tvořených volně uspořádanými vrstvami podobnými grafenu.
Aby bylo možné grafen tisknout, musí být rozptýlený v kapalině. Grafenové plátky se ale přirozeně silně přitahují a při vyšší koncentraci se shlukují a skládají zpět do vrstev. Jejich extrémní tenkost navíc způsobuje rychlé houstnutí inkoustu. Látka se pak chová spíše jako měkký gel než tekutý inkoust, a to už při poměrně nízké koncentraci grafenu.
Tradiční grafenové inkousty proto často obsahují méně než několik miligramů grafenu na mililitr, což je pro efektivní průmyslovou výrobu málo. Výrobci používají polymerní pojiva nebo surfaktanty, které grafen stabilizují a usnadňují tisk. Tyto přísady však zároveň ředí aktivní materiál a mohou zhoršovat elektrické i tepelné vlastnosti výsledných zařízení.
Vědci proto místo přidávání dalších ingrediencí zvolili jiný přístup: změnili strukturu samotného grafenu. Vyvinuli materiál odvozený z grafenu s názvem „hustý blok redukovaného grafitového oxidu“ neboli DB-rGtO. Tento materiál neexistuje jako ploché, vrstvovité vločky, ale tvoří trojrozměrné bloky složené z volně uspořádaných vrstev podobných grafenu. Důležité je, že části těchto vrstev zůstávají vystaveny okolní kapalině, což umožňuje materiálu kontrolovanou interakci s rozpouštědly.
Tato nenápadná změna tvaru má velký dopad. Díky 3D struktuře je DB-rGtO méně náchylný k nevratnému stohování a agregaci a zároveň se snižuje dramatický nárůst viskozity, ke kterému dochází u konvenčních grafenových listů. Díky tomu lze materiál dispergovat v mnohem vyšších koncentracích a zároveň plynule teče. V testech s řadou běžných tiskových rozpouštědel zůstaly disperze DB-rGtO tisknutelné i při koncentracích přesahujících 100 mg/ml — a dokonce až 200 mg/ ml — bez použití jakýchkoli pojiv.
Tým s použitím tohoto vysoce koncentrovaného inkoustu bez pojiva demonstroval sítotisk s vysokým rozlišením na flexibilních podkladech. Inkoust produkoval čisté, dobře definované prokládané vzory s velikostmi prvků řádově stovek mikrometrů, vhodné pro tištěné elektronické součástky.
Potisknuté grafenové filmy byly také testovány jako elektrotermické ohřívače. Po přivedení napětí se filmy efektivně a rovnoměrně zahřívaly, což zdůrazňuje jejich potenciální využití ve flexibilních ohřívačích, nositelné elektronice a dalších lehkých zařízeních.
Nový přístup by mohl otevřít cestu k účinnější výrobě tištěné elektroniky na bázi grafenu.