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Jun 13, 2024

Fini les produits chimiques toxiques

Par Duke University, 13 avril 2023 Une représentation artistique du nouveau processus qui permet aux imprimeurs de créer des transistors entièrement fonctionnels et entièrement recyclables en utilisant uniquement de l'eau au lieu de produits chimiques agressifs.

Par Duke University13 avril 2023

Une représentation artistique du nouveau processus qui permet aux imprimeurs de créer des transistors entièrement fonctionnels et entièrement recyclables en utilisant uniquement de l'eau au lieu de produits chimiques agressifs. Crédit : Studios Ella Maru

Les ingénieurs de l'Université Duke ont créé les premiers produits électroniques imprimés au monde pouvant être entièrement recyclés. Leur solution innovante remplace l'utilisation de produits chimiques nocifs par de l'eau pendant le processus de fabrication, réduisant ainsi l'impact environnemental et les risques potentiels pour la santé associés à l'utilisation de produits chimiques dangereux. Cette démonstration ouvre une nouvelle voie à suivre pour l’industrie dans la réduction de son empreinte écologique et sanitaire.

La recherche a été récemment publiée dans la revue Nano Letters.

L’un des principaux obstacles auxquels sont confrontés les fabricants de produits électroniques est de réussir à superposer plusieurs couches de composants, ce qui est crucial pour la production d’appareils sophistiqués. Cela peut s'avérer une tâche difficile, en particulier pour l'électronique imprimée, où garantir une bonne adhérence des couches est souvent une source de frustration.

"Si vous préparez un sandwich au beurre de cacahuète et à la gelée, il est facile d'en appliquer une couche sur chaque tranche de pain", a expliqué Aaron Franklin, professeur Addy de génie électrique et informatique à Duke, qui a dirigé l'étude. « Mais si vous déposez d'abord la gelée et que vous essayez ensuite d'étaler du beurre de cacahuète dessus, oubliez ça, la gelée ne restera pas en place et se mélangera au beurre de cacahuète. Superposer des couches n'est pas aussi simple que de les poser les unes sur les autres, mais c'est ce que vous devez faire si vous souhaitez construire des appareils électroniques avec impression.

In previous work, Franklin and his group demonstrated the first fully recyclable printed electronics. The devices used three carbon-based inks: semiconducting carbon nanotubes, conductive grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> le graphène et la nanocellulose isolante. En essayant d'adapter le procédé original pour utiliser uniquement de l'eau, les nanotubes de carbone représentaient le plus grand défi.

Une imprimante à jet d'encre dépose des couches d'encres électroniques à base de carbone pour créer des transistors qui peuvent être entièrement recyclés en utilisant uniquement de l'eau, plutôt que de nécessiter des produits chimiques agressifs et toxiques. Crédit : Jason Arthurs Photographie

Pour fabriquer une encre à base d'eau dans laquelle les nanotubes de carbone ne s'agglutinent pas et ne se répartissent pas uniformément sur une surface, un tensioactif similaire au détergent est ajouté. Cependant, l’encre résultante ne crée pas une couche de nanotubes de carbone suffisamment dense pour qu’un courant élevé d’électrons puisse la traverser.

"Vous voulez que les nanotubes de carbone ressemblent à des spaghettis al dente éparpillés sur une surface plane", a déclaré Franklin. « Mais avec une encre à base d'eau, ils semblent plutôt avoir été pris un par un et jetés sur un mur pour vérifier leur cuisson. Si nous utilisions des produits chimiques, nous pourrions simplement imprimer plusieurs passes encore et encore jusqu'à ce qu'il y ait suffisamment de nanotubes. Mais l’eau ne fonctionne pas ainsi. Nous pourrions le faire 100 fois et il y aurait toujours la même densité que la première fois.

En effet, le tensioactif utilisé pour empêcher les nanotubes de carbone de s'agglutiner empêche également des couches supplémentaires d'adhérer à la première. Dans un processus de fabrication traditionnel, ces tensioactifs seraient éliminés soit à des températures très élevées, ce qui nécessite beaucoup d'énergie, soit à l'aide de produits chimiques agressifs, qui peuvent présenter des risques pour la santé humaine et environnementale. Franklin et son groupe voulaient éviter les deux.

Dans cet article, Franklin et son groupe développent un processus cyclique dans lequel l'appareil est rincé à l'eau, séché à température relativement basse et réimprimé. Lorsque la quantité de tensioactif utilisée dans l’encre est également réduite, les chercheurs montrent que leurs encres et leurs processus peuvent créer des transistors entièrement fonctionnels, entièrement recyclables et entièrement à base d’eau.