Elettronica stampata à la carte

Uno studio pubblicato ieri su Nature Electronics svela i meccanismi fisici responsabili del trasporto di carica in dispositivi elettronici stampati fatti con materiali bidimensionali (2D), come il grafene. Il lavoro permette di identificare per la prima volta quali proprietà dei materiali 2D devono essere ottimizzate per ottenere dispositivi elettronici performanti, consentendo la progettazione di una nuova classe di elettronica flessibile e stampata ad alte prestazioni.

La ricerca è stata svolta da ricercatori dell'Imperial College di Londra, del Politecnico di Torino e dell’Università di Catania, tra i quali il Professor Felice Torrisi del DFA.

I chip di silicio sono i componenti alla base della maggior parte dell’elettronica di consumo, dai fitness tracker agli smartphone. Tuttavia, la loro natura rigida ne limita l'uso in elettronica flessibile. I materiali 2D invece, sono costituiti da strati dello spessore di uno o pochi atomi, essi possono essere dispersi in soluzione e formulati in inchiostri stampabili, producendo film ultrasottili estremamente flessibili, trasparenti e con nuove proprietà elettroniche. Questo rende possibili nuovi tipi di dispositivi, integrati in materiali flessibili ed estensibili, come vestiti, o anche tessuti nel corpo umano.

Dispositivi elettronici flessibili costruiti in passato usando inchiostri di materiali 2D stampati, sono serviti come dimostrazione una tantum diparticolari proprietà dei materiali 2D, tra cui ad esempio l'elevata mobilità degli elettroni, il rilevamento della luce o l'immagazzinamento di carica. Tuttavia, l'assenza di parametri di controllo per progettare elettronica con materiale 2D stampato, ha limitato  la loro applicazione diffusa.

In questo lavoro, il gruppo di ricerca internazionale ha studiato come la carica elettronica viene trasportata in diversi film stampati a getto d'inchiostro di materiali 2D, mostrando come è controllata dai cambiamenti di temperatura, campo magnetico e campo elettrico.

Il team ha studiato tre tipi tipici di materiali 2D: grafene (un "semimetallo" costituito da atomi di carbonio), bisolfuro di molibdeno (o MoS2, un "semiconduttore") e carburo di titanio MXene (o Ti3C2, un metallo) e ha mappato come il comportamento di il trasporto di carica elettrica è cambiato in queste diverse condizioni.

Il Professor Felice Torrisi, Senior Lecturer dell'Imperial College London e Professore Associato del Dipartimento di Fisica e Astronomia "Ettore Majorana" del nostro Ateneo è il ricercatore a capo di questo lavoro. "I nostri risultati hanno un enorme impatto sul modo in cui comprendiamo il trasporto attraverso reti di materiali bidimensionali”, ha dichiarato il Prof. Torrisi “in quanto essi consentono non solo la progettazione controllata di elettronica stampata innovativa a base su materiali 2D, ma anche nuove tipologie di dispositivi elettronici flessibili non canoniche”.

“Ad esempio, il nostro lavoro apre la strada a dispositivi indossabili affidabili adatti per applicazioni biomediche, come il monitoraggio remoto dei pazienti, o dispositivi bio-impiantabili per il monitoraggio a lungo termine di malattie degenerative o processi di guarigione”.

Questi dispositivi futuri potrebbero un giorno sostituire le procedure invasive, come l'impianto di elettrodi cerebrali per monitorare le condizioni degenerative che colpiscono il sistema nervoso. Gli elettrodi attuali in uso per tali procedure possono essere impiantati solo temporaneamente e sono scomodi per il paziente, mentre un dispositivo flessibile realizzato con materiali 2D potrebbe essere integrato con il sistema nercoso centrale e fornire un monitoraggio costante.

Altre potenziali applicazioni sanitarie includono dispositivi indossabili per il monitoraggio dell'assistenza sanitaria: dispositivi come gli smart watch, ma più integrati con il corpo, che forniscono dati sufficientemente accurati da consentire ai medici di monitorare i pazienti a distanza, senza portarli in ospedale.

Le relazioni che il team ha scoperto tra il tipo di materiale 2D e i parametri di controllo sul trasporto di carica elettrica aiuteranno altri ricercatori a progettare dispositivi 2D stampati e flessibili con le proprietà desiderate. Potrebbero anche rivelare come progettare componenti elettronici completamente nuovi, impossibili realizzare con i chip di silicio, come dispositivi trasparenti o che modificano e trasmettono la luce in maniera efficiente.