En la Universidad de Nottingham se ha descifrado el enigma de cómo utilizar tintas para imprimir en 3D nuevos dispositivos electrónicos con propiedades útiles, como la capacidad de convertir la luz en electricidad.

El estudio muestra que es posible inyectar tintas, que contienen diminutas escamas de materiales bidimensionales como el grafeno, para construir y encajar las diferentes capas de estas estructuras complejas y personalizadas.

Utilizando modelos de mecánica cuántica, los investigadores también señalaron cómo se mueven los electrones a través de las capas de material 2D, para comprender completamente cómo se pueden modificar los innovadores dispositivos en el futuro.

El coautor del artículo, el Profesor Mark Fromhold, Director de la Escuela de Física y Astronomía, dijo: “Al vincular los conceptos fundamentales de la física cuántica con la ingeniería de vanguardia, hemos demostrado cómo se pueden hacer dispositivos complejos para controlar la electricidad y la luz imprimiendo capas de material que tienen solo unos pocos átomos de grosor, pero que tienen unos pocos centímetros de diámetro”.

“De acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, en la que los electrones actúan como ondas en lugar de como partículas, encontramos que los electrones de los materiales 2D viajan a lo largo de complejas trayectorias entre múltiples escamas. Parece que los electrones saltan de una escama a otra como una rana que salta entre lirios en la superficie de un estanque”.

El estudio fue publicado en la revista Advanced Functional Materials.

Una disposición representativa de escamas de grafeno impresas con chorro de tinta entre dos contactos (verde). El gradiente de color corresponde a la variación de los potenciales de las escamas. (Foto: University of Nottingham)

Descrito a menudo como un “súper material”, el grafeno fue creado por primera vez en 2004. Exhibe muchas propiedades únicas, incluyendo ser más fuerte que el acero, altamente flexible y el mejor conductor de electricidad jamás hecho.

Los materiales bidimensionales como el grafeno se hacen generalmente exfoliando secuencialmente una sola capa de átomos de carbono, dispuestos en una lámina plana, que luego se utilizan para producir estructuras a medida.

Sin embargo, la producción de capas y su combinación para obtener materiales complejos y similares a los sándwiches, ha sido difícil y por lo general ha requerido una cuidadosa deposición de las capas una por una y a mano.

Desde su descubrimiento, ha habido un crecimiento exponencial en el número de patentes relacionadas con el grafeno. Sin embargo, para aprovechar plenamente su potencial, es necesario desarrollar técnicas de fabricación escalables.

El nuevo documento muestra que la fabricación aditiva -más conocida como impresión en 3D- mediante tintas, en las que se suspenden diminutas escamas de grafeno (de unas mil millonésimas de metro de diámetro), ofrece una solución prometedora.

Combinando técnicas avanzadas de fabricación para hacer dispositivos junto con formas sofisticadas de medir sus propiedades y modelado de ondas cuánticas, el equipo descubrió exactamente cómo el grafeno impreso por inyección de tinta puede reemplazar con éxito el grafeno de una sola capa como material de contacto para semiconductores metálicos en 2D.