معالجة الجرافين المطبوع بواسطة الليزر لعمل ورق الكتروني

الجرافين عبارة عن مادة سداسية الشكل تتكون من الكربون وسُمكها بعرض ذرة، لها قدرة كبيرة على توصيل الكهرباء والحرارة. لذلك، سعى الباحثون لدراسة خصائصها على مستوى أكبر من أجل توسيع مجالات استعمالها.

استخدمت تجارب جديدة طابعات نافثه للحبر لطباعة دوائر والكترودات جرافين متعددة الطبقات جعلت المهندسين يفكرون في استخدامها لصنع أجهزة الكترونية مرنة ورخيصة ويمكن ارتداؤها نظرا لسمكها الصغير جدا بحسب ما طرحه سيبرم داز Suprem Das، باحث ما بعد الدكتوراه في الهندسة الميكانيكية بولاية أيوا ومشارك في معمل أمز Ames التابع لوزارة الطاقة بالولايات المتحدة الأمريكية.

لكن المشكلة تكمن في التكنولوجيا المستعملة لطباعة الجرافين، والتي تتطلب معالجة الجرافين لتحسين التوصيل الكهربائي وأداء الأجهزة المستعمل فيها، مما يعني زيادة درجات الحرارة والمواد الكيميائية وكلاهما يتسبب في تحلل أسطح الطباعة المرنة مثل طبقات البلاستيك أو حتى الورق.

خطرت فكرة على كل من داز وكلوصين (Claussen) البروفيسور المساعد في الهندسة الميكانيكية في ولاية أيوا ومشارك في معمل أمز، وهي استخدام الليزر لمعالجة الجرافين. فعمل كلوصين مع غاري شينغ (Gery Cheng)، بروفيسور مرافق لدى كلية الهندسة الصناعية في جامعة Purdue، لتطوير واختبار هذه الفكرة.

وقد نجحت الفكرة حيث وجدوا أن معالجة الكترودات ودوائر الجرافين الكهربائية المطبوعة ومتعددة الطبقات بواسطة الليزر تقوم بتحسين التوصيل الكهربائي دون تدمير الورق، البوليمرات أو أسطح الطباعة الهشة الأخرى.
ويصرّح كلوصين: “هذا يفتح طريقًا لزيادة تصنيع الجرافين.”

وتصدرت النتائج الغلاف الأمامي للعدد 35 من صحيفة Nanoscale. وشارك في البحث أيضا Allison Cargill وJohn Hondred وShaowei Ding، خريجي الهندسة الميكانيكية. وكذلك Qiong Nian وMojib Saei، خريجي الهندسة الصناعية في نفس الولاية.

يقدم المشروع والبحث المتعلق به منحتان كبيرتان: منحة ممتدة لثلاث سنوات من المعهد القومي للطعام والزراعة، ووزارة الزراعة في الولايات المتحدة الأمريكية، ومنحة ممتدة لثلاث سنوات من صندوق Roy J. Carver الخيري. كما يستفيد البحث من دعم كل من كلية الهندسة التابعة لولاية أيوا وقسم الهندسة الميكانيكية.

ويضيف كلوصين: “إن الطفرة العلمية تكمن في تحويل الجرافين المطبوع بطابعة نافثة للحبر إلى مادة موصلة يمكن استخدامها في تطبيقات جديدة.”

يمكن لتلك التطبيقات أن تشمل مستشعرات ذات تطبيقات بيولوجية، وأنظمة لحفظ الطاقة، وعناصر موصلة للكهرباء وأجهزة الكترونية مبنية على الورق.

ومن أجل تحقيق ذلك، طوّر المهندسون تكنولوجيا ليرزية يتم التحكم فيها بواسطة الكومبيوتر والتي تشع أكسيد الجرافين المطبوع بطابعة نافثة للحبر. تختزل تلك المعالجة أكسيد الجرافين إلى جرافين، حيث تلصق ملايين من رقائق الجرافين الصغيرة. تحسن تلك العملية من التوصيل الكهربائي وتجعلها أقوى بألف مرة.

يصرّح داز: “يعمل الليزر بنبضات سريعة من الفوتونات ذات طاقة عالية والتي لا تدمر الجرافين أو الطبقة السفلية منه. فهي ترفع من حرارته لكنها تعمل بشكل موضعي.”

نغير تلك العملية من شكل وبنية الجرافين المطبوع من شكل مسطّح إلى بنيات نانوية ثلاثية الأبعاد. ويقول المهندسون إن البنيات ثلاثية الأبعاد تشبه البتلات الصغيرة التي ترتفع من السطح، بحيث تزيد البنية الخشنة والحادة من النشاط الكهروكيميائي للجرافين جاعلة منه مفيدا للمستشعرات الحيوية والكيماوية.

وعلق الباحثون في الورقة البحثية: “يمهد هذا العمل الطريق ليس فقط إلى الالكترونيات المبنية على الورق مع دوائر الجرافين الكهربائية، بل وتمكننا من عمل الكترودات جرافين كهروكيميائية رخيصة للعديد من التطبيقات التي تشمل مستشعرات حيوية وخلايا الوقود والأجهزة الطبية.”

ترجمة: وليد عادل
تدقيق بدر الفراك
المصدر