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Jul 24, 2023

Patrizia Daukantas

Junyi Zhao della Washington University di St. Louis, USA, dimostra l'utilizzo di una semplice penna a sfera per scrivere LED personalizzati su carta. [Immagine: Wang Lab, Washington University di St. Louis]

Molte persone amano annotare le loro nuove idee con carta e penna. In futuro, potrebbero trasformare queste idee sotto forma di LED personalizzati su palloncini per feste, indumenti o persino sensori medici personalizzati.

Ricercatori negli Stati Uniti hanno sviluppato un sistema per scrivere LED e fotorilevatori su molti substrati comuni, dalla carta alla gomma e al tessuto (Nat. Photon., doi: 10.1038/s41566-023-01266-1). Il team ha riempito normali penne a sfera con uno speciale “inchiostro” contenente minuscoli fili metallici e nanocristalli di perovskiti, i versatili semiconduttori che si illuminano intensamente sotto la giusta stimolazione. Secondo i ricercatori, le potenziali applicazioni spaziano dai sensori flessibili e indossabili usa e getta ai tessuti personalizzabili e agli imballaggi intelligenti.

"L'esperienza di scrittura rispecchia il flusso naturale della scrittura quotidiana", afferma l'autore principale Junyi Zhao, dottorando nel laboratorio di Chuan Wang, professore di ingegneria alla Washington University di St. Louis, USA.

Le tecniche collaudate nel tempo per la fabbricazione di dispositivi optoelettronici comprendono il rivestimento per rotazione, l'evaporazione e l'attacco, che di solito coinvolgono camere a vuoto o altre apparecchiature specializzate. Sebbene alcuni scienziati, tra cui Wang e i suoi colleghi, abbiano provato la stampa a getto d’inchiostro e altri sistemi di deposizione più semplici come sostituti, pulire e allineare le testine di stampa a getto d’inchiostro può essere una seccatura.

Due anni fa, Zhao e Wang hanno lanciato un inchiostro optoelettronico composto da composti organici-inorganici costituito da cristalli di perovskite incorporati in una matrice polimerica flessibile e hanno stampato circuiti inserendo il composto in una stampante a getto d'inchiostro. Un’umile penna a sfera, riempita con LED liquidi al posto dell’inchiostro originale, si è rivelata un meccanismo di consegna ancora più semplice, ma la formula dell’inchiostro perovskite necessitava prima di essere modificata.

Il logo della Washington University di St. Louis disegnato con “inchiostri” LED multicolori su un foglio di alluminio. [Immagine: Wang Lab, Washington University di St. Louis]

Zhao afferma che lui e i suoi colleghi hanno attentamente messo a punto la reologia dell'inchiostro, o capacità di fluire, e la sua capacità di bagnare per produrre linee uniformi su molte superfici diverse. Il team ha anche dovuto personalizzare i solventi in modo che il disegno di più strati di inchiostro optoelettronico sullo stesso punto non causasse la dissoluzione degli strati superiori o compromettesse quelli sottostanti.

"In termini di esperienza di scrittura, abbiamo esaminato attentamente l'impatto della forza applicata sulla penna durante il processo di scrittura, definito come 'scrittura morbida' e 'scrittura dura'", afferma Zhao. “In particolare, la forza applicata alla penna non comprometterà la funzionalità dei nostri dispositivi optoelettronici. È interessante notare che sia le tecniche di scrittura morbida che quella dura influenzano efficacemente l'ampiezza del percorso di scrittura. La scrittura morbida produce un percorso più ristretto, mentre la scrittura dura produce un percorso più ampio. Questa versatilità nella pressione di scrittura contribuisce a risoluzioni di pattern personalizzabili nel dispositivo finale”.

Poiché i LED disegnati a mano hanno una struttura a sandwich verticale, i ricercatori hanno lavorato duramente per mantenere gli strati sufficientemente separati e uniformi nello spessore per evitare perdite di corrente tra gli elettrodi superiore e inferiore, afferma Wang. “Ciò è più semplice su superfici planari e non assorbenti, come vetro o pellicole di plastica, ma diventa particolarmente impegnativo su substrati fibrosi e porosi, come carta e tessuto”, aggiunge.

Secondo Zhao, i ricercatori dovevano considerare il tempo di asciugatura dei loro inchiostri LED perché qualsiasi valore progettuale delle immagini disegnate sarebbe andato perso se l’inchiostro si fosse macchiato. Per accelerare l'essiccazione, il team ha incorporato come additivi vari solventi a basso punto di ebollizione, tra cui isopropanolo e toluene. “Questi solventi hanno effettivamente abbassato il punto di ebollizione dei nostri inchiostri funzionali”, afferma Zhao. “Di conseguenza, la velocità di essiccazione di alcuni strati, come lo strato di perovskite che emette luce, lo strato tampone di polietilenimmina e l’elettrodo superiore di nanofili d’argento, è stato notevolmente accelerato. In alcuni casi, infatti, l’essiccazione è avvenuta rapidamente o immediatamente, eliminando la necessità di qualsiasi periodo di attesa”.