Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой цилиндрические трубкообразные структуры, изготовленные из атомов углерода, которые обладают весьма желательными физическими свойствами, такими как высокая прочность, малый вес и отличная теплопроводность и электропроводность. Это делает их идеальными материалами для различных применений, включая армирующие материалы, устройства накопления и преобразования энергии, а также электронику. Однако, несмотря на такой огромный потенциал, при коммерциализации УНТ возникли проблемы, такие как их нанесение на пластиковые подложки для изготовления гибких устройств на основе УНТ. Традиционные методы изготовления требуют тщательно контролируемых условий, таких как высокие температуры и чистое помещение. Кроме того, они требуют повторных перемещений для получения УНТ с различными значениями сопротивления.

В качестве альтернатив были разработаны более прямые методы, такие как лазерно-индуцированный прямой перенос (LIFT) и термоядерный синтез (TF). В методе LIFT лазер используется для непосредственного переноса УНТ на подложки, в то время как в TF УНТ смешиваются с полимерами, которые затем избирательно удаляются лазером для формирования проволок из УНТ с различными значениями сопротивления. Однако оба эти метода являются дорогостоящими и имеют свои уникальные проблемы. LIFT требует дорогостоящих импульсных лазеров и получения УНТ с определенными значениями сопротивления, в то время как TF использует большое количество УНТ, которые не используются и идут в отходы.

Стремясь разработать более простой и недорогой подход, адъюнкт-профессор доктор Такаши Икуно вместе со своими сотрудниками, г-ном Хироаки Комацу, г-ном Йосуке Сугитой и г-ном Такахиро Мацунами из Токийского университета науки, Япония, недавно предложили новый метод, который позволяет изготавливать многослойную проводку из УНТ (MWNT) на пластиковой пленке. в условиях окружающей среды (комнатная температура и атмосферное давление) с использованием недорогого лазера.

Прорыв, опубликованный в журнале Scientific Reports 08 февраля 2023 года, включает нанесение на полипропиленовую пленку (PP) пленки MWNT толщиной около 10 мкм и последующее воздействие на нее УФ-лазером mW. В результате получается токопроводящая проводка, изготовленная из комбинации MWNT и PP.

"Этот процесс позволяет легко "рисовать" проводку и гибкие устройства для носимых датчиков без необходимости в сложных процессах", - подчеркивает доктор Икуно.

Исследователи объяснили образование этих проволок разницей в теплопроводности между MWNT и полипропиленовой пленкой. Когда пленка MWNT/PP подвергается воздействию лазера, высокая теплопроводность слоя MWNT приводит к распространению тепла по длине проволоки, что приводит к высоким температурам на границе раздела MWNT-PP и более низким температурам в других частях пленки PP. Непосредственно под лазером, где температуры самые высокие, полипропилен диффундирует в пленку MWNT, образуя толстый композит PP / MWNT, в то время как тонкий слой PP / MWNT образуется по краям лазера, где температуры относительно низкие.

Предлагаемый способ также позволяет изготавливать углеродные проволоки с различными значениями сопротивления в рамках одного и того же процесса (без повторного переноса) путем простого изменения условий облучения, тем самым устраняя необходимость в дополнительных стадиях. Воздействие на пленку PP/MWNT высоких лазерных энергий, достигаемое либо за счет низких скоростей сканирования, большого количества лазерных воздействий, либо за счет использования мощного лазера, позволяет получить более толстые провода с более высокой концентрацией MWNT. Следовательно, меньшее удельное сопротивление MWNT и более толстый провод снижают сопротивление на единицу длины провода (сопротивление прямо пропорционально отношению между удельным сопротивлением и толщиной провода).

Точно контролируя воздействие лазерного излучения на пленку MWNT/PP, исследователи успешно изготовили провода MWNT с широким диапазоном значений сопротивления - от 0,789 Ком/см до 114 Ком/см. Более того, эти провода были очень гибкими и сохраняли свое сопротивление даже при многократном сгибании.

Кроме того, этот метод решил одну из насущных проблем, связанных с современными технологиями, а именно неспособность методов LIFT и TF повторно использовать УНТ, не использованные в процессе изготовления. В предлагаемом способе MWNT, не включенные в полипропиленовую пленку во время лазерного облучения, могут быть восстановлены и использованы повторно, что позволяет создавать новые провода MWNT практически без изменения значений сопротивления.

Благодаря своей простоте, эффективному использованию УНТ и возможности создавать высококачественные провода, новый метод обладает потенциалом для реализации крупномасштабного производства гибкой углеродной проводки для гибких датчиков и устройств преобразования и хранения энергии.

"Мы ожидаем, что стоимость процесса будет значительно снижена по сравнению с традиционными методами. Это, в свою очередь, будет способствовать созданию недорогих гибких датчиков, которые, как ожидается, найдут широкое применение в больших количествах", - заключает доктор Икуно.