Notícias sobre óptica e fotônica

Jul 24, 2023

Patrícia Daukantas

Junyi Zhao, da Universidade de Washington em St. Louis, EUA, demonstra o uso de uma simples caneta esferográfica para escrever LEDs personalizados no papel. [Imagem: Wang Lab, Universidade de Washington em St. Louis]

Muitas pessoas gostam de anotar suas novas ideias com caneta e papel. No futuro, eles poderão desenhar essas ideias na forma de LEDs personalizados em balões de festa, roupas ou até mesmo sensores médicos personalizados.

Pesquisadores nos Estados Unidos desenvolveram um sistema para escrever LEDs e fotodetectores à mão em muitos substratos comuns, de papel a borracha e tecido (Nat. Photon., doi: 10.1038/s41566-023-01266-1). A equipe encheu canetas esferográficas comuns com uma “tinta” especial contendo minúsculos fios de metal e nanocristais de perovskitas – os versáteis semicondutores que brilham intensamente sob a estimulação certa. As aplicações potenciais variam de sensores flexíveis e descartáveis ​​até têxteis personalizáveis ​​e embalagens inteligentes, de acordo com os pesquisadores.

“A experiência de escrita reflete o fluxo natural da escrita cotidiana”, diz o autor principal Junyi Zhao, doutorando no laboratório de Chuan Wang, professor de engenharia na Universidade de Washington em St.

As técnicas testadas ao longo do tempo para a fabricação de dispositivos optoeletrônicos incluem revestimento por rotação, evaporação e gravação, geralmente envolvendo câmaras de vácuo ou outros equipamentos especializados. Embora alguns cientistas – incluindo Wang e seus colegas – tenham tentado a impressão a jato de tinta e outros sistemas de deposição mais simples como substitutos, limpar e alinhar as cabeças de impressão a jato de tinta pode ser um incômodo.

Dois anos atrás, Zhao e Wang lançaram uma tinta optoeletrônica composta orgânico-inorgânica que consiste em cristais de perovskita incorporados em uma matriz polimérica flexível e imprimiram circuitos alimentando o composto em uma impressora jato de tinta. Uma humilde caneta esferográfica, preenchida com LEDs líquidos em vez de sua tinta original, revelou-se um mecanismo de entrega ainda mais simples, mas a fórmula da tinta perovskita primeiro precisou de ajustes.

Logotipo da Universidade de Washington em St. Louis desenhado com “tintas” LED multicoloridas em folha de alumínio. [Imagem: Wang Lab, Universidade de Washington em St. Louis]

Zhao diz que ele e seus colegas ajustaram cuidadosamente a reologia da tinta, ou capacidade de fluxo, e sua capacidade de umedecimento para produzir linhas uniformes em muitas superfícies diferentes. A equipe também teve que personalizar os solventes para que desenhar múltiplas camadas de tinta optoeletrônica no mesmo local não causasse a dissolução das camadas superiores ou comprometesse as inferiores.

“Em termos da experiência de escrita, examinamos minuciosamente o impacto da força aplicada à caneta durante o processo de escrita, definido como 'escrita suave' e 'escrita forte'”, diz Zhao. “Notavelmente, a força aplicada à caneta não comprometerá a funcionalidade dos nossos dispositivos optoeletrônicos. Curiosamente, tanto as técnicas de escrita suave quanto as duras influenciam efetivamente a largura do caminho da escrita. A escrita suave produz um caminho mais estreito, enquanto a escrita rígida produz um caminho mais amplo. Essa versatilidade na pressão da escrita contribui para resoluções de padrões personalizáveis ​​no dispositivo final.”

Como os LEDs desenhados à mão têm uma estrutura em sanduíche vertical, os pesquisadores trabalharam duro para manter as camadas suficientemente separadas e com espessura uniforme para evitar vazamento de corrente entre os eletrodos superior e inferior, diz Wang. “Isso é mais fácil em superfícies planas e não absorventes, como vidro ou filmes plásticos, mas torna-se especialmente desafiador em substratos fibrosos e porosos, como papel e têxteis”, acrescenta.

De acordo com Zhao, os pesquisadores precisavam considerar o tempo de secagem de suas tintas LED porque qualquer valor de design das imagens desenhadas seria perdido se a tinta ficasse manchada. Para acelerar a secagem, a equipe incorporou vários solventes de baixo ponto de ebulição como aditivos, incluindo isopropanol e tolueno. “Esses solventes reduziram efetivamente o ponto de ebulição de nossas tintas funcionais”, diz Zhao. “Consequentemente, a taxa de secagem de certas camadas, como a camada emissora de luz de perovskita, a camada tampão de polietilenoimina e o eletrodo superior de nanofio de prata, foi notavelmente acelerada. Na verdade, em alguns casos, a secagem ocorreu de forma rápida ou imediata, eliminando a necessidade de qualquer período de espera.”