La tinta conductora es el componente principal de todos los dispositivos electrónicos impresos y placas de circuito y forma la estructura básica para circuitos integrados de baja resistencia y electrodos de contacto. Sin embargo, la preparación de una tinta conductora a base de grafeno con buena conductividad y estabilidad de dispersión en agua sigue siendo un desafío importante.
Estudio: Síntesis simple de Ag/puntos cuánticos de carbono/compuestos de grafeno para tintas a base de agua de alta conductividad. Crédito de la foto: wacomka/Shutterstock.com
Un estudio reciente publicado en la revista ACS Applied Materials & Interfaces se centra en la fabricación de un nanocompuesto de puntos cuánticos de carbono/plata notablemente conductivo/grafeno (Ag/CQD/G) para la fabricación de tinta conductiva a base de agua.
¿Qué es la tinta conductiva?
La tinta conductora es esencial en la fabricación de dispositivos electrónicos estirables. Una tinta conductiva de alto rendimiento debe exhibir una conductividad, adherencia al sustrato y durabilidad excepcionales. Dependiendo de la sustancia utilizada para fabricarla, la tinta conductora puede ser de base metálica o de carbono.
Las nanopartículas de plata son actualmente los materiales más utilizados para fabricar tinta conductora debido a su alta conductividad eléctrica y fuertes propiedades antioxidantes. Sin embargo, los materiales de plata son muy caros y la difusión de plata es un problema grave que afecta gravemente a la fiabilidad de las trazas de plata.
La tinta conductora a base de cobre es menos costosa y más fácil de fabricar que la tinta conductora a base de plata. Sin embargo, se oxida fácilmente, lo que limita su aplicabilidad industrial.
La tinta conductora compuesta por nanoestructuras a base de carbono, como el grafeno, los nanotubos de carbono, las nanofibras de carbono y el negro de carbono, puede resolver los desafíos enumerados anteriormente y ha atraído un gran interés debido a sus excelentes propiedades mecánicas y eléctricas.
Tinta conductiva a base de grafeno: aplicaciones y limitaciones
El grafeno es una nanoestructura de carbono prometedora para la producción de tinta conductora con una conductividad que coincide con la de la tinta de plata. Además, la tinta conductora a base de grafeno tiene varias ventajas, que incluyen bajo costo, alta estabilidad y amplia aplicación.
Como resultado, el desarrollo de tintas basadas en grafeno de alto rendimiento puede contribuir al avance de la microelectrónica impresa.
El óxido de grafeno soluble en agua (GO) se usa ampliamente como materia prima para la fabricación de tinta conductora a base de grafeno debido a su bajo costo y su fuerte degradabilidad en agua. Sin embargo, la conversión de patrones GO preimpresos en patrones conductivos requiere altas temperaturas y fuertes productos químicos reductores, lo que limita su uso en dispositivos electrónicos portátiles.
Las nanoláminas de grafeno con propiedades prístinas tienen mejores propiedades eléctricas que rGO. Sin embargo, tienden a aglomerarse debido al apilamiento pi-pi y los contactos de van der Waals, lo que dificulta su uso en la mayoría de los solventes.
Mejora de la conductividad de las tintas a base de grafeno
Desde un punto de vista económico y ambiental, es crucial producir nanomateriales a base de grafeno con alta conductividad y fuerte dispersabilidad en agua, que sean económicos, no tóxicos y duraderos en condiciones normales.
Se ha observado que varios fármacos y materiales hidrófilos, como la polivinilpirrolidona y la polietilenimina etoxilada, aumentan la solubilidad y la durabilidad del grafeno en disolventes a base de agua. Sin embargo, estos productos químicos de dispersión son difíciles de eliminar por completo, lo que da como resultado compuestos con poca conductividad y contaminación ambiental.
Los puntos cuánticos de carbono (CQD), que son semiconductores anfifílicos, se pueden depositar en la superficie del grafeno y aumentar drásticamente su conductividad y solubilidad en agua.
Otro método viable para aumentar la conductividad de la tinta conductora a base de grafeno es recubrirla con nanopartículas metálicas (NP). Muchas nanopartículas de plata (Ag) con diferentes morfologías actúan como interconexiones a nanoescala entre capas de grafeno, lo que da como resultado compuestos Ag/grafeno con baja resistencia de contacto y una mayor capacidad para producir una tinta altamente conductiva.
Aspectos destacados y desarrollos clave del estudio
En este estudio, los investigadores crearon un compuesto Ag/CQDs/G único mediante la fotorreducción in situ de nitrato de plata y el recubrimiento de plata sobre nanoláminas de grafeno para producir una tinta altamente conductiva.
Este es un método simple y directo para producir compuestos Ag/CQDs/G, que elimina la necesidad de reducir los productos químicos o los procesos de reducción a alta temperatura.
El nanocompuesto Ag/CQDs/G así preparado mostró una alta dispersabilidad y durabilidad en agua durante 30 días. La introducción de Ag NP en el nanocompuesto Ag/CQDs/G dio como resultado una caída del 97,2 % en la resistencia eléctrica en comparación con las láminas de grafeno simple. Además, las muestras de Ag/CQDs/G producidas tenían una resistividad de contacto baja después de la compresión por laminación.
El nanocompuesto producido de esta manera es un relleno adecuado para la producción de tinta conductora a base de agua debido a su fuerte dispersabilidad en agua y alta conductividad eléctrica. Además, después de 5000 ciclos de flexión, los patrones impresos demostraron una estabilidad estructural excepcional, allanando el camino para la fabricación de una gama de productos electrónicos adaptables de alto rendimiento, como placas de circuito impreso y dispositivos de identificación por radiofrecuencia (RFID).
Relación
Gao, C. et al. (2022). Síntesis simple de Ag/puntos cuánticos de carbono/compuestos de grafeno para tintas a base de agua de alta conductividad. Interfaces y materiales aplicados de ACS. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c06298
