TUS研究人员提出了一种简单廉价的方法来在塑料薄膜上制造碳纳米管布线
碳纳米管 (CNT) 是由碳原子制成的圆柱形管状结构，具有高强度、低重量以及出色的导热性和导电性等非常理想的物理特性。这使它们成为各种应用的理想材料，包括增强材料、能量存储和转换设备以及电子产品。然而，尽管潜力巨大，但在将 CNT 商业化方面仍存在挑战，例如将它们结合到塑料基板上以制造基于 CNT 的柔性设备。传统的制造方法需要仔细控制环境，例如高温和洁净室。此外，它们需要重复转移以生产具有不同电阻值的 CNT。
已经开发出更直接的方法，例如激光诱导正向转移 (LIFT) 和热聚变 (TF) 作为替代方法。在 LIFT 方法中，使用激光将 CNT 直接转移到基板上，而在 TF 中，CNT 与聚合物混合，然后通过激光选择性地去除聚合物，形成具有不同电阻值的 CNT 线。然而，这两种方法都很昂贵并且有其独特的问题。LIFT 需要昂贵的脉冲激光器和具有特定电阻值的 CNT 的制备，而 TF 使用大量未被利用和浪费的 CNT。
为了开发一种更简单、成本更低的方法，副教授 Takashi Ikuno 博士和他的合作者日本东京理科大学的 Hiroaki Komatsu 先生、Yosuke Sugita 先生和 Takahiro Matsunami 先生最近提出了一种新方法，能够实现使用低成本激光在环境条件(室温和大气压力)下在塑料薄膜上制造多壁碳纳米管 (MWNT) 布线。
这一突破发表在2023 年 2 月 8 日的《科学报告》杂志上，涉及在聚丙烯 (PP) 薄膜上涂上一层约 10 μm 厚的 MWNT 薄膜，然后将其暴露在 mW 紫外激光下。结果是由 MWNT 和 PP 的组合制成的导电布线。
“这个过程可以轻松‘绘制’可穿戴传感器的布线和柔性设备，而无需复杂的过程，” Ikuno 博士强调说。
研究人员将这些线的形成归因于 MWNT 和 PP 薄膜之间的热导率差异。当 MWNT/PP 薄膜暴露在激光下时，MWNT 层的高导热性导致热量沿线的长度传播，导致 MWNT-PP 界面处的高温和 PP 薄膜其他地方的较低温度. 在激光正下方，温度最高的地方，PP 扩散到 MWNT 薄膜中，形成厚的 PP/MWNT 复合材料，而薄的 PP/MWNT 层则在温度相对较低的激光边缘形成。
所提出的方法还允许通过简单地改变辐照条件在同一过程中(无需重复转移)制造具有不同电阻值的碳线，从而消除了额外步骤的需要。将 PP/MWNT 薄膜暴露于高激光能量(通过低扫描速度、大量激光曝光或使用高功率激光实现)会产生具有更高浓度 MWNT 的更粗线。因此，较低的 MWNT 电阻率和较粗的导线会降低单位长度导线的电阻(电阻与导线的电阻率和厚度之间的比率成正比)。
通过精确控制 MWNT/PP 薄膜在激光下的曝光，研究人员成功制造出电阻值范围从 0.789 kΩ/cm 到 114 kΩ/cm 的 MWNT 线材。此外，这些电线非常柔韧，即使反复弯曲也能保持其阻力。
此外，该方法解决了当前技术的一个紧迫问题，即 LIFT 和 TF 技术无法重复使用制造过程中未使用的 CNT。在所提出的方法中，可以回收和重复使用在激光照射期间未掺入 PP 薄膜的 MWNT，从而允许创建新的 MWNT 线，电阻值几乎没有变化或没有变化。
凭借其简单、碳纳米管的高效利用以及制造高质量线材的能力，新方法有可能实现大规模制造用于柔性传感器和能量转换和存储设备的柔性碳线。
“与传统方法相比，我们预计工艺成本将显着降低。反过来，这将有助于实现低成本的柔性传感器，这些传感器有望大量广泛应用，” Ikuno 博士总结道。
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