Gommalacca per circuiti stampati
Gli imballaggi intelligenti con sensori che controllano gli alimenti come le verdure su lunghi percorsi di trasporto sono una tendenza futura. Ma questa "elettronica usa e getta", che viene stampata in massa, causa anche problemi: I metalli negli inchiostri da stampa sono costosi - e il loro smaltimento ecologico è costoso e aggrava il problema dei rifiuti elettronici. Una nuova soluzione dei ricercatori dell'Empa mira a porvi rimedio.
Più preciso, più veloce, più economico: i ricercatori di tutto il mondo hanno lavorato per anni alla produzione di circuiti elettrici con processi additivi come la stampa robotizzata 3 ("robocasting") - con grande successo, che però ora sta diventando un problema. Le particelle metalliche che rendono tali "inchiostri" elettricamente conduttivi aggravano il problema dei rifiuti elettrici. Tanto più che la massa è destinata ad aumentare in futuro in vista di nuovi tipi di "sensori usa e getta", alcuni dei quali sono in uso solo per pochi giorni.
Uno spreco inutile, pensa Gustav Nyström, capo del dipartimento Cellulose & Wood Materials dell'Empa: "C'è un urgente bisogno di materiali che trovino un equilibrio tra prestazioni elettroniche, costi e sostenibilità". Per sviluppare un inchiostro ecologico, il team di Nyström ha quindi fissato obiettivi ambiziosi: senza metallo, non tossico, biodegradabile. E in vista delle applicazioni pratiche: ben malleabile e stabile all'umidità e al calore moderato.
Con carbone e gommalacca
I ricercatori hanno scelto il carbonio economico come materiale conduttore, come hanno recentemente riportato nella rivista scientifica online "scientific reports". Più precisamente: piastrine allungate di grafite mescolate a minuscole particelle di fuliggine che creano il contatto elettrico tra queste piastrine - tutto questo in una matrice fatta di un biomateriale ben noto: la gommalacca, che si ottiene dalle escrezioni delle cocciniglie. In passato, era usato per fare dischi; oggi è usato, tra le altre cose, come vernice per strumenti di legno e unghie. I suoi vantaggi corrispondono esattamente al profilo desiderato dai ricercatori dell'Empa. E per di più, è solubile in alcool - un solvente economico che evapora dopo l'applicazione dell'inchiostro in modo che si asciughi.
Nonostante questi ingredienti, il compito si è rivelato impegnativo. Perché sia con la semplice serigrafia che con le moderne stampanti 3D, l'inchiostro deve avere un comportamento "shear-thinning": A "riposo", l'inchiostro è piuttosto viscoso. Ma al momento della stampa, quando è sottoposto a una "forza di taglio" laterale, diventa un po' più fluido - proprio come una vernice murale non gocciolante, che acquisisce una consistenza più morbida solo quando viene applicata con la forza del rullo. Tuttavia, quando viene utilizzato nella produzione additiva come la stampa 3D con un braccio robotico, questo è particolarmente difficile: Un inchiostro troppo viscoso sarebbe troppo duro - ma se diventa troppo liquido durante la stampa, i componenti solidi potrebbero separarsi e intasare il piccolo ugello della stampante.
Test con applicazioni reali
Per soddisfare i requisiti, i ricercatori hanno armeggiato intensamente con la ricetta del loro inchiostro. Hanno testato due dimensioni di piastrine di grafite: con 40 micrometri e con 7-10 micrometri di lunghezza. Molte variazioni sono state necessarie anche nel rapporto di miscelazione di grafite e nerofumo, perché troppo nerofumo rende il materiale fragile - con il rischio di crepe quando l'inchiostro si asciuga. Ottimizzando la formulazione e la composizione relativa dei componenti, il team è stato in grado di sviluppare diverse varianti dell'inchiostro che possono essere utilizzate in diversi processi di stampa 2D e 3D.
"La sfida più grande era quella di ottenere un'alta conduttività elettrica", dice il ricercatore coinvolto, Xavier Aeby, "e allo stesso tempo formare una rete simile a un gel di carbonio, grafite e gommalacca". Il team ha studiato il comportamento pratico di questo materiale in diverse fasi. Per esempio, con un minuscolo cuboide di prova: 15 griglie sovrapposte dalla stampante 3D - fatte di fili sottili di soli 0,4 millimetri di diametro. Questo ha dimostrato che l'inchiostro è sufficiente anche per processi impegnativi come il robocasting.
Per provare la sua idoneità per componenti reali, i ricercatori hanno costruito, tra l'altro, un sensore per le deformazioni: una sottile striscia di PET con una struttura di inchiostro stampata su di essa, la cui resistenza elettrica cambiava precisamente con diversi gradi di piegatura. Inoltre, i test per la resistenza alla trazione, la stabilità sott'acqua e altre proprietà hanno mostrato risultati promettenti - e così il team di ricerca è fiducioso che il nuovo materiale, che è già stato brevettato, potrebbe dimostrarsi nella pratica. "Speriamo che questo sistema di inchiostro possa essere usato per applicazioni nell'elettronica stampata sostenibile", dice Gustav Nyström, "per esempio per tracce conduttive ed elementi sensoriali in imballaggi intelligenti e dispositivi biomedici o nel campo del rilevamento alimentare e ambientale".
