Zásadný prelom v nanovede umožní tlačiť elektroniku lacno ako noviny

KĽÚČOVÉ ZISTENIA: 

• Vedci objavili univerzálny kľúč k tvorbe 2D materiálov. 

• Rozhodujúcim faktorom je pomer tuhosti v rovine a mimo nej. 

• Boli vytlačené prvé komunikačné obvody a prevodníky.

Tím vedcov z výskumného centra AMBER na Trinity College Dublin dosiahol zásadný prielom v oblasti nanotechnológií, ktorý môže radikálne zmeniť spôsob výroby elektroniky. Pod vedením Dr. Tiana Careyho a profesora Jonathana Colemana sa podarilo vyriešiť dlhoročnú záhadu, ktorá brzdila vývoj lacnej tlačenej elektroniky.

^{Zdroj foto: AMBER Centre, Trinity College Dublin}

Ich objav otvára dvere k budúcnosti, kde sa budú zdravotné senzory, inteligentné obaly či flexibilné displeje vyrábať na tlačiarenských strojoch podobne jednoducho a lacno ako denná tlač. Jadrom problému bola doteraz nepredvídateľnosť správania vrstvených materiálov pri procese takzvanej elektrochemickej exfoliácie.

Tento proces využíva elektrický prúd na vháňanie iónov do vrstiev materiálu, čo má za následok jeho rozpad na ultratenké 2D nanovrstvy (nanosheets). Tieto 2D materiály majú unikátne elektronické vlastnosti, no vedci doposiaľ nevedeli vysvetliť, prečo sa niektoré materiály takto spracovať dajú a iné pri pokuse zlyhajú.

Vývoj nových atramentov pre tlačenú elektroniku tak bol zdĺhavým procesom pokusov a omylov. Írsky tím však teraz identifikoval presné fyzikálne pravidlo, ktoré toto správanie riadi.

Kľúčom k úspechu je pomer medzi tuhosťou materiálu v rovine (in-plane stiffness) a tuhosťou mimo roviny (out-of-plane stiffness). Aby bola exfoliácia úspešná, musí byť materiál výrazne odolnejší voči deformácii pozdĺž svojej štruktúry než kolmo na ňu.

Tento poznatok umožnil vedcom vytvoriť univerzálny prediktívny rámec, vďaka ktorému môžu vopred určiť, ktoré z tisícov dostupných materiálov sú vhodné na výrobu elektronických atramentov. Praktický dopad tohto teoretického objavu bol okamžitý.

Výskumníci už stihli odomknúť desiatky nových 2D polovodičov, ktoré boli predtým považované za nespracovateľné. V laboratóriu vyrobili funkčné tlačené tranzistory z viac ako desiatich nových materiálov.

To im umožnilo skonštruovať komplexné elektronické súčiastky, vrátane prvých tlačených digitálno-analógových prevodníkov (DAC) a komunikačných obvodov BASK, ktoré sú schopné kódovať digitálne správy do vysokofrekvenčných signálov.

Dr. Carey, ktorý za tento výskum získal prestížne štipendium Kráľovskej spoločnosti, prirovnáva potenciál tejto technológie k revolúcii v tlači. Predstava je taká, že namiesto drahých kremíkových čipov vyrábaných v sterilných továrňach za miliardy dolárov, budeme môcť vyrábať logické obvody pomocou riešenia nanášaného pri izbovej teplote.

To by mohlo viesť k vzniku jednorazových IoT ovládačov, senzorov integrovaných priamo do krabíc od mlieka, ktoré upozornia na skazenie, alebo lacnej nositeľnej elektroniky monitorujúcej zdravie pacienta.

Výskum tiež odhalil, že výkon týchto tlačených tranzistorov je momentálne limitovaný spojmi medzi jednotlivými nanovrstvami (flake-to-flake junctions), a nie chybami v samotných polovodičoch. Toto zistenie dáva vedcom jasný smer pre ďalšiu optimalizáciu – ak sa podarí zlepšiť prechod prúdu medzi týmito mikroskopickými šupinkami, výkon tlačenej elektroniky môže skokovo narásť.

Projekt, ktorý spojil kapacity z inštitúcií ako Politecnico di Milano či TU Delft a získal financovanie z programu EÚ Horizon Europe, tak posúva hranice toho, čo je možné v materiálovej vede dosiahnuť. Nejde len o nový akademický poznatok, ale o vytvorenie "kuchárskej knihy" pre priemysel, ktorá umožní masovú výrobu novej generácie elektroniky. 

Odstránením potreby hádať, ktoré materiály budú fungovať, sa vývoj presúva do fázy inžinierskej optimalizácie a komerčného nasadenia. V nasledujúcich rokoch môžeme očakávať, že táto technológia prenikne do oblastí, kde bola elektronika doteraz príliš drahá alebo nepraktická.

Tlačené obvody nebudú konkurovať vysoko výkonným procesorom v počítačoch, ale umožnia inteligenciu v miliardách každodenných predmetov. Ide o kľúčový krok k skutočnému "internetu všetkého", kde je digitálna vrstva integrovaná do fyzického sveta nielen prostredníctvom pripojených zariadení, ale priamo v materiáloch, z ktorých sú vyrobené.

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ: Odstránenie metódy pokus-omyl z vývoja materiálov dramaticky zrýchli inovácie a zníži náklady na výrobu elektroniky, čo umožní digitalizáciu bežných predmetov, ktoré boli doteraz pre elektronické komponenty príliš lacné alebo nepraktická.

^{Zdroj: irishtechnews.ie foto: depositphotos.com}