No necesita un láser grande para fabricar grafeno inducido por láser (Laser-induced graphene, LIG, por sus siglas en inglés). Los científicos de la Universidad de Rice, la Universidad de Tennessee, Knoxville (UT Knoxville) y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) están utilizando un haz visible muy pequeño para quemar la forma espumosa de carbono en patrones microscópicos.
Los laboratorios del químico James Rice, James Tour, que descubrió el método original para convertir un polímero común en grafeno en 2014, y el científico de materiales de Tennessee/ORNL, Philip Rack, revelaron que ahora pueden ver cómo se forma el material conductivo mientras produce pequeños rastros de LIG en un escaneo microscopio electrónico (scanning electron microscope, SEM, por sus siglas en inglés).
El proceso alterado, detallado en las Interfaces y materiales aplicados ACS de la American Chemical Society, crea LIG con características más de un 60% más pequeñas que la versión macro y casi 10 veces más pequeñas de lo que normalmente se logra con el anterior láser infrarrojo.
Los láseres de menor potencia también hacen que el proceso sea menos costoso, dijo Tour. Eso podría conducir a una producción comercial más amplia de electrónica flexible y sensores.
«Una clave para las aplicaciones electrónicas es hacer estructuras más pequeñas para poder tener una mayor densidad o más dispositivos por unidad de área», dijo Tour. «Este método nos permite hacer estructuras que son 10 veces más densas que antes».
Para probar el concepto, el laboratorio fabricó sensores de humedad flexibles que son invisibles a simple vista y fabricados directamente en poliimida, un polímero comercial. Los dispositivos pudieron detectar el aliento humano con un tiempo de respuesta de 250 milisegundos.
«Esto es mucho más rápido que la frecuencia de muestreo para la mayoría de los sensores de humedad comerciales y permite el monitoreo de los cambios locales de humedad rápidos que pueden ser causados por la respiración», dijo el autor principal del artículo, el investigador postdoctoral de Rice University, Michael Stanford.
Los láseres más pequeños bombean luz a una longitud de onda de 405 nanómetros, en la parte azul-violeta del espectro. Estos son menos potentes que los láseres industriales que Tour Group y otros en todo el mundo están utilizando para quemar grafeno en plástico, papel, madera e incluso alimentos.
Figura 2. Los científicos de la Universidad de Rice y del Laboratorio Nacional de Oak Ridge utilizaron un pequeño láser montado en un microscopio electrónico de barrido para formar puntos y trazas de grafeno conductor en un polímero. La técnica crea grafeno inducido por láser con la principal características de que este es un 60% más pequeño que la versión macro y casi 10% más pequeño de lo que normalmente se logra con un láser infrarrojo. Cortesía de Tour Group
El láser montado en SEM quema solo las cinco micras superiores del polímero, escribiendo características de grafeno tan pequeñas como 12 micras. (Un cabello humano, en comparación, tiene 30 a 100 micras de ancho).
Trabajando directamente con ORNL, Stanford aprovechó el equipo avanzado del laboratorio nacional. «Eso es lo que hizo posible este esfuerzo conjunto», dijo Tour.
Figura 3. Una imagen de microscopio electrónico de barrido muestra dos trazas de grafeno inducido por láser en una película de poliimida. Se usó un láser montado en el microscopio para grabar los patrones en la película. La técnica es prometedora para el desarrollo de la electrónica flexible. Cortesía de Tour Group.
«Hice mucho de mi Ph.D. investigación en ORNL, por lo que estaba al tanto de las excelentes instalaciones y científicos y cómo podrían ayudarnos con nuestro proyecto», dijo Stanford. «Las características de LIG que estábamos creando eran tan pequeñas que hubieran sido casi imposibles de encontrar si tuviéramos que aplicar los patrones y luego buscarlos en el microscopio más tarde».
Tour, cuyo grupo introdujo recientemente el grafeno flash para convertir instantáneamente la basura y el desperdicio de alimentos en material valioso, dijo que el nuevo proceso LIG ofrece un nuevo camino hacia la escritura de circuitos electrónicos en sustratos flexibles como la ropa.
«Si bien el proceso flash producirá toneladas de grafeno, el proceso LIG permitirá que el grafeno se sintetice directamente para aplicaciones electrónicas precisas en las superficies», dijo Tour.
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