Noticias sobre Óptica y Fotónica

Jul 24, 2023

Patricia Daukantas

Junyi Zhao, de la Universidad de Washington en St. Louis, EE. UU., hace una demostración del uso de un simple bolígrafo para escribir LED personalizados en papel. [Imagen: Laboratorio Wang, Universidad de Washington en St. Louis]

A muchas personas les gusta anotar sus nuevas ideas con lápiz y papel. En el futuro, podrían plasmar esas ideas en forma de LED personalizados en globos de fiesta, ropa o incluso sensores médicos personalizados.

Investigadores de Estados Unidos han desarrollado un sistema para escribir a mano LED y fotodetectores en muchos sustratos comunes, desde papel hasta caucho y tela (Nat. Photon., doi: 10.1038/s41566-023-01266-1). El equipo llenó bolígrafos normales con una "tinta" especial que contenía diminutos cables metálicos y nanocristales de perovskitas, los semiconductores versátiles que se iluminan intensamente con la estimulación adecuada. Según los investigadores, las aplicaciones potenciales van desde sensores portátiles flexibles y desechables hasta textiles personalizables y envases inteligentes.

"La experiencia de escritura refleja el flujo natural de la escritura cotidiana", dice el autor principal Junyi Zhao, candidato a doctorado en el laboratorio de Chuan Wang, profesor de ingeniería en la Universidad de Washington en St. Louis, EE.UU.

Las técnicas probadas a lo largo del tiempo para fabricar dispositivos optoelectrónicos incluyen el recubrimiento por rotación, la evaporación y el grabado, que generalmente involucran cámaras de vacío u otros equipos especializados. Aunque algunos científicos, incluidos Wang y sus colegas, han probado la impresión de inyección de tinta y otros sistemas de deposición más simples como sustitutos, limpiar y alinear los cabezales de impresión de inyección de tinta puede ser una molestia.

Hace dos años, Zhao y Wang presentaron una tinta optoelectrónica de compuesto orgánico-inorgánico que consiste en cristales de perovskita incrustados en una matriz polimérica flexible, e imprimieron circuitos introduciendo el compuesto en una impresora de inyección de tinta. Un humilde bolígrafo, lleno de LED líquidos en lugar de su tinta original, resultó ser un mecanismo de entrega aún más simple, pero primero fue necesario modificar la fórmula de la tinta de perovskita.

El logotipo de la Universidad de Washington en St. Louis dibujado con “tintas” LED multicolores sobre papel de aluminio. [Imagen: Laboratorio Wang, Universidad de Washington en St. Louis]

Zhao dice que él y sus colegas ajustaron cuidadosamente la reología de la tinta, o capacidad de fluir, y su capacidad de humectación para producir líneas uniformes en muchas superficies diferentes. El equipo también tuvo que personalizar los disolventes para que al aplicar varias capas de tinta optoelectrónica en el mismo lugar no se disolvieran las capas superiores ni se comprometieran las inferiores.

"En términos de la experiencia de escritura, examinamos minuciosamente el impacto de la fuerza aplicada sobre el lápiz durante el proceso de escritura, definido como 'escritura suave' y 'escritura dura'", dice Zhao. “En particular, la fuerza aplicada al lápiz no comprometerá la funcionalidad de nuestros dispositivos optoelectrónicos. Curiosamente, tanto las técnicas de escritura suave como las duras influyen eficazmente en la anchura del recorrido de escritura. La escritura suave produce un camino más estrecho, mientras que la escritura dura produce un camino más amplio. Esta versatilidad en la presión de escritura contribuye a resoluciones de patrones personalizables en el dispositivo final”.

Debido a que los LED dibujados a mano tienen una estructura tipo sándwich vertical, los investigadores trabajaron duro para mantener las capas suficientemente separadas y de espesor uniforme para evitar fugas de corriente entre los electrodos superior e inferior, dice Wang. "Esto es más fácil en superficies planas y no absorbentes, como vidrio o películas plásticas, pero resulta especialmente desafiante en sustratos fibrosos y porosos, como papel y textiles", añade.

Según Zhao, los investigadores necesitaban considerar el tiempo de secado de sus tintas LED porque cualquier valor de diseño de las imágenes dibujadas se perdería si la tinta se manchara. Para acelerar el secado, el equipo incorporó como aditivos varios disolventes de bajo punto de ebullición, incluidos isopropanol y tolueno. "Estos disolventes redujeron eficazmente el punto de ebullición de nuestras tintas funcionales", afirma Zhao. “En consecuencia, la velocidad de secado de ciertas capas, como la capa emisora ​​de luz de perovskita, la capa tampón de polietilenimina y el electrodo superior de nanocables de plata, se aceleró notablemente. De hecho, en algunos casos, el secado se produjo rápida o inmediatamente, eliminando la necesidad de cualquier período de espera”.

Los investigadores podrían utilizar el bolígrafo con LED líquidos para crear bocetos que se iluminen. [Imagen: Laboratorio Wang, Universidad de Washington en St. Louis]

Para demostrar la resistencia y versatilidad de los LED escritos a mano, los investigadores dibujaron diseños en la superficie interior de un vial de vidrio y en ambos lados de una hoja de papel. Para este último, el equipo conectó una batería tipo moneda y demostró el funcionamiento de encendido y apagado de un dibujo de un semáforo. Los miembros del grupo dibujaron un patrón en la superficie de un globo de goma y lo sometieron a varias docenas de ciclos de inflación-deflación con un estiramiento biaxial de más del 40%, e informaron que el rendimiento no se degradó notablemente.

Los investigadores también descubrieron que el brillo de los LED de perovskita escritos a mano podía llegar hasta 15.225 cd/m2, mientras que la capacidad de respuesta máxima de los fotodetectores de perovskita escritos a mano era de 132 mA/W.

A continuación, Wang y sus colegas planean incorporar la tinta grabable en dispositivos electrónicos desechables para posibles aplicaciones biomédicas. Según Wang, los investigadores también ajustarán las fórmulas de la tinta para sustituir las perovskitas sin plomo para reducir o eliminar la toxicidad de la tinta.

Fecha de publicación: 16 de agosto de 2023