پژوهشگران کالج Drexel University و Trinity College یک جوهر رسانا را ایجاد کرده اند که می تواند برای دستگاه های ذخیره سازی انرژی جوهر افشان مورد استفاده قرار گیرد.
اعتبار: دانشگاه درکسل
اعتبار: دانشگاه درکسل
گزارش کامل
محققان دانشگاه Drexel و کالج ترینیتی در ایرلند، جوهری برای جوهر افشان پرینتر از یک ماده دو بعدی بسیار رسانا به نام MXene ایجاد کرده اند. یافته های اخیر، منتشر شده در Nature Communications، نشان می دهد که جوهر را می توان برای چاپ قطعات قابل انعطاف ذخیره‌ی انرژی مانند ابررساناها، در هر اندازه یا شکل استفاده کرد.
جوهر های رسانا تقریبا برای یک دهه است که وجود داشته اند و دارای یک بازار چند صد میلیون دلاری هستند که انتظار می رود بازار آنها به سرعت در دهه آینده رشد کند. از آنها در حال حاضر برای ساخت تگ های شناسایی رادیوفرکانسی در گیرنده - فرستنده های خودکار عوارض بزرگراه، و بوردهای مدار در دستگاه های الکترونیکی قابل حمل استفاده می شود و این ماده پنجره های خودرو را به عنوان آنتن های رادیویی تعبیه شده به خط می کند و کمک می کند به ذوب یخ زدگی. اما برای این که تکنولوژی بتواند شاهد استفاده وسیع تر از آن باشد، جوهر رسانا اولاً باید رسانا تر شود و ثانیاً قابلیت کاربرد آن در موارد مختلف سلده تر شود.
یوری گوگوتسی، استاد شاخص دانشگاه و استاد دانشگاه باخ در دانشکده مهندسی دگزل، گروه علوم مهندسی و مهندسی مواد، که در زمینه استفاده از مواد جدید در تکنولوژی مطالعه می کند، اشاره می کند که جوهر ایجاد شده در موسسه نانومتری دگزل، پیشرفت قابل توجهی در هر دوی این جبهه ها دارد. یافته های ما نشان می دهد که میکرو سوپرخازن های چاپ شده‌ی تماماً از MXene که با یک چاپگر پیشرفته جوهر افشان ساخته شده اند، دارای مرتبه ای بزرگتر از دستگاه های ذخیره انرژی موجود ساخته شده از جوهر های رسانای دیگر هستند گوگوتسی گفت: "تا کنون تنها موفقیت های محدودی با استفاده با استفاده از جوهر های رسانا در هر دو زمینه‌ی چاپ دارای وضوح بالا و دستگاه های ذخیره بار بالا به دست آمده است. اما یافته های ما نشان می دهد که میکرو سوپرخازن های چاپ شده‌ی تماماً از MXene که با یک چاپگر پیشرفته جوهر افشان ساخته شده اند، دارای مرتبه ای بزرگتر از دستگاه های ذخیره انرژی موجود ساخته شده از جوهر های رسانای دیگر هستند. "
در حالی که محققان به طور پیوسته روش هایی را برای ساخت جوهر از مواد جدید و رسانا مانند نانو ذرات نقره، گرافین و گالیم تحقیق می کنند، اما این چالش همچنان باقی می ماند که آنها به صورت یکپارچه در فرایندهای تولید استفاده شوند. طبق نظر دکتر Babak Anasori، استاد گروه تحقیق مواد و متالوژی Drexel، و همکاران تحقیق در مورد جوهر MXene، اغلب این جوهرها در یک پروسه‌ی یک مرحله ای قابل استفاده نیستند.
Anasori گفت: "برای اکثر جوهرهای نانو، برای نگهداری ذرات با هم و برای چاپ با کیفیت بالا، یک افزودنی لازم است. از این جهت، بعد از چاپ، انجام یک مرحله اضافی لازم است – که معمولا یک عملیات حرارتی یا شیمیایی برای حذف این افزودنی است." "برای چاپ MXene، ما فقط از MXene در آب یا MXene در یک محلول آلی استفاده می کنیم تا این جوهر را تولید کنیم. این بدین معناست که می تواند بدون انجام هیچ گونه مراحل اضافی خشک شود."
MXeneها نوعی مواد لایه ای دو بعدی هستند که در Drexel در سال 2011 ایجاد شده اند که دارای توانایی منحصر به فرد برای مخلوط شدن با مایعاتی مانند آب و دیگر حلال های آلی هستند، در حالی که خواص رسانایی آنها حفظ می شود. به همین دلیل، محققان Drexel آن را تولید کرده و در فرم های مختلف، از گِل رسانا تا یک پوشش نازک برای سپر سازی در مقابل تداخل های الکترومغناطیسی و تا یک آنتن بی سیم تقریباً نامرئی، تست کرده اند.
تنظیم غلظت برای ایجاد جوهر برای استفاده در چاپگر تجاری، موضوع مهمی در مقوله زمان و تکرار پذیری تولید بود. غلظت حلال و MXene در جوهر می تواند متناسب با انواع مختلف چاپگرها تنظیم شود.
Anasori گفت: "اگر ما واقعا بخواهیم از هر فن آوری در مقیاس وسیع استفاده کنیم و آن را برای استفاده عمومی آماده کنیم، باید آن را بسیار ساده و به یک مرحله‌ای انجام دهیم." "یک چاپگر جوهر افشان را می توان در هر خانه‌ای پیدا کرد، بنابراین ما می دانستیم که اگر بتوانیم جوهر مناسب را ایجاد کنیم، این امکان پذیر است که هر کسی بتواند در تولید الکترونیک و دستگاه های آینده مشارکت داشته باشد."
به عنوان بخشی از این تحقیق، تیم Drexel که با محققان در کالج تریتیچ کار می کند که متخصص چاپ هستند، از جوهر MXene برای تست در یک سری از نسخه ها چاپی، شامل یک مدار ساده، یک میکرو سوپر خازن و مقداری متن، در بستر های مختلف از کاغذ تا پلاستیک و تا شیشه استفاده کردند. در انجام این کار، آنها دریافتند که می توانند خطوطی با ضخامت استوار را چاپ کنند و این که توانایی جوهر در عبور دادن جریان الکتریکی با ضخامت آن تغییر می کند – که این هر دو از عوامل مهم در ساخت قطعات الکترونیک تولیدی است. و نسخه های چاپی، هدایت الکتریکی فوق العاده خود را حفظ کردند، که بالاترین میزان را در میان تمام جوهرهای رسانای بر پایه کربن، از جمله نانولوله های کربن و گرافین، داشت. اگر ما واقعا بخواهیم از هر فن آوری در مقیاس وسیع استفاده کنیم و آن را برای استفاده عمومی آماده کنیم، باید آن را بسیار ساده و به یک مرحله‌ای انجام دهیم.همه‌ی این ها منجر به محصولی کاملاً همه کاره برای ساخت اجزای کوچکی می شود که وظایف مهمی را اجرا می کنند که اما اغلب در دستگاه های الکترونیکی ما نادیده گرفته می شود - کارهایی مانند روشن نگه داشتن پاور در هنگامی که عمر باتری تمام می شود، جلوگیری از صدمه‌ی جریان الکتریکی سریع و غیر عادی، و یا تسریع فرایند شارژ. ارائه ماده ای با کارایی بالا و یک راه جدید برای ساختن چیزها با آن، می تواند نه تنها به پیشرفت های دستگاه های فعلی ما بلکه همچنین ایجاد فناوری های کاملا جدید منجر شود.
Anasori گفت: "در مقایسه با پروتکل های تولید متعارف، تکنیک های جوهر افشان مستقیم، مانند چاپ جوهر افشان و چاپ اکستروژن، امکان الگو سازی های دیجیتالی و افزایشی، سفارشی سازی، کاهش ضایعات مواد، مقیاس پذیری و تولید سریع را می دهد." "اکنون که ما یک جوهر MXene تولید کرده ایم که می تواند از طریق این تکنیک استفاده شود، ما به دنیایی از فرصت های جدید برای استفاده از آن نگاه می کنیم."
منبع: مطالب ارائه شده توسط دانشگاه درکسل
جوهر های رسانا تقریبا برای یک دهه است که وجود داشته اند و دارای یک بازار چند صد میلیون دلاری هستند که انتظار می رود بازار آنها به سرعت در دهه آینده رشد کند. از آنها در حال حاضر برای ساخت تگ های شناسایی رادیوفرکانسی در گیرنده - فرستنده های خودکار عوارض بزرگراه، و بوردهای مدار در دستگاه های الکترونیکی قابل حمل استفاده می شود و این ماده پنجره های خودرو را به عنوان آنتن های رادیویی تعبیه شده به خط می کند و کمک می کند به ذوب یخ زدگی. اما برای این که تکنولوژی بتواند شاهد استفاده وسیع تر از آن باشد، جوهر رسانا اولاً باید رسانا تر شود و ثانیاً قابلیت کاربرد آن در موارد مختلف سلده تر شود.
یوری گوگوتسی، استاد شاخص دانشگاه و استاد دانشگاه باخ در دانشکده مهندسی دگزل، گروه علوم مهندسی و مهندسی مواد، که در زمینه استفاده از مواد جدید در تکنولوژی مطالعه می کند، اشاره می کند که جوهر ایجاد شده در موسسه نانومتری دگزل، پیشرفت قابل توجهی در هر دوی این جبهه ها دارد. یافته های ما نشان می دهد که میکرو سوپرخازن های چاپ شده‌ی تماماً از MXene که با یک چاپگر پیشرفته جوهر افشان ساخته شده اند، دارای مرتبه ای بزرگتر از دستگاه های ذخیره انرژی موجود ساخته شده از جوهر های رسانای دیگر هستند گوگوتسی گفت: "تا کنون تنها موفقیت های محدودی با استفاده با استفاده از جوهر های رسانا در هر دو زمینه‌ی چاپ دارای وضوح بالا و دستگاه های ذخیره بار بالا به دست آمده است. اما یافته های ما نشان می دهد که میکرو سوپرخازن های چاپ شده‌ی تماماً از MXene که با یک چاپگر پیشرفته جوهر افشان ساخته شده اند، دارای مرتبه ای بزرگتر از دستگاه های ذخیره انرژی موجود ساخته شده از جوهر های رسانای دیگر هستند. "
در حالی که محققان به طور پیوسته روش هایی را برای ساخت جوهر از مواد جدید و رسانا مانند نانو ذرات نقره، گرافین و گالیم تحقیق می کنند، اما این چالش همچنان باقی می ماند که آنها به صورت یکپارچه در فرایندهای تولید استفاده شوند. طبق نظر دکتر Babak Anasori، استاد گروه تحقیق مواد و متالوژی Drexel، و همکاران تحقیق در مورد جوهر MXene، اغلب این جوهرها در یک پروسه‌ی یک مرحله ای قابل استفاده نیستند.
Anasori گفت: "برای اکثر جوهرهای نانو، برای نگهداری ذرات با هم و برای چاپ با کیفیت بالا، یک افزودنی لازم است. از این جهت، بعد از چاپ، انجام یک مرحله اضافی لازم است – که معمولا یک عملیات حرارتی یا شیمیایی برای حذف این افزودنی است." "برای چاپ MXene، ما فقط از MXene در آب یا MXene در یک محلول آلی استفاده می کنیم تا این جوهر را تولید کنیم. این بدین معناست که می تواند بدون انجام هیچ گونه مراحل اضافی خشک شود."
MXeneها نوعی مواد لایه ای دو بعدی هستند که در Drexel در سال 2011 ایجاد شده اند که دارای توانایی منحصر به فرد برای مخلوط شدن با مایعاتی مانند آب و دیگر حلال های آلی هستند، در حالی که خواص رسانایی آنها حفظ می شود. به همین دلیل، محققان Drexel آن را تولید کرده و در فرم های مختلف، از گِل رسانا تا یک پوشش نازک برای سپر سازی در مقابل تداخل های الکترومغناطیسی و تا یک آنتن بی سیم تقریباً نامرئی، تست کرده اند.
تنظیم غلظت برای ایجاد جوهر برای استفاده در چاپگر تجاری، موضوع مهمی در مقوله زمان و تکرار پذیری تولید بود. غلظت حلال و MXene در جوهر می تواند متناسب با انواع مختلف چاپگرها تنظیم شود.
Anasori گفت: "اگر ما واقعا بخواهیم از هر فن آوری در مقیاس وسیع استفاده کنیم و آن را برای استفاده عمومی آماده کنیم، باید آن را بسیار ساده و به یک مرحله‌ای انجام دهیم." "یک چاپگر جوهر افشان را می توان در هر خانه‌ای پیدا کرد، بنابراین ما می دانستیم که اگر بتوانیم جوهر مناسب را ایجاد کنیم، این امکان پذیر است که هر کسی بتواند در تولید الکترونیک و دستگاه های آینده مشارکت داشته باشد."
به عنوان بخشی از این تحقیق، تیم Drexel که با محققان در کالج تریتیچ کار می کند که متخصص چاپ هستند، از جوهر MXene برای تست در یک سری از نسخه ها چاپی، شامل یک مدار ساده، یک میکرو سوپر خازن و مقداری متن، در بستر های مختلف از کاغذ تا پلاستیک و تا شیشه استفاده کردند. در انجام این کار، آنها دریافتند که می توانند خطوطی با ضخامت استوار را چاپ کنند و این که توانایی جوهر در عبور دادن جریان الکتریکی با ضخامت آن تغییر می کند – که این هر دو از عوامل مهم در ساخت قطعات الکترونیک تولیدی است. و نسخه های چاپی، هدایت الکتریکی فوق العاده خود را حفظ کردند، که بالاترین میزان را در میان تمام جوهرهای رسانای بر پایه کربن، از جمله نانولوله های کربن و گرافین، داشت. اگر ما واقعا بخواهیم از هر فن آوری در مقیاس وسیع استفاده کنیم و آن را برای استفاده عمومی آماده کنیم، باید آن را بسیار ساده و به یک مرحله‌ای انجام دهیم.همه‌ی این ها منجر به محصولی کاملاً همه کاره برای ساخت اجزای کوچکی می شود که وظایف مهمی را اجرا می کنند که اما اغلب در دستگاه های الکترونیکی ما نادیده گرفته می شود - کارهایی مانند روشن نگه داشتن پاور در هنگامی که عمر باتری تمام می شود، جلوگیری از صدمه‌ی جریان الکتریکی سریع و غیر عادی، و یا تسریع فرایند شارژ. ارائه ماده ای با کارایی بالا و یک راه جدید برای ساختن چیزها با آن، می تواند نه تنها به پیشرفت های دستگاه های فعلی ما بلکه همچنین ایجاد فناوری های کاملا جدید منجر شود.
Anasori گفت: "در مقایسه با پروتکل های تولید متعارف، تکنیک های جوهر افشان مستقیم، مانند چاپ جوهر افشان و چاپ اکستروژن، امکان الگو سازی های دیجیتالی و افزایشی، سفارشی سازی، کاهش ضایعات مواد، مقیاس پذیری و تولید سریع را می دهد." "اکنون که ما یک جوهر MXene تولید کرده ایم که می تواند از طریق این تکنیک استفاده شود، ما به دنیایی از فرصت های جدید برای استفاده از آن نگاه می کنیم."
منبع: مطالب ارائه شده توسط دانشگاه درکسل
