日本東京理科大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種在塑料薄膜上制造多壁碳納米管(MWNTs)的廉價方法。

所提出的方法很簡單，可以在環(huán)境條件下應(yīng)用，重復(fù)使用MWNT，并產(chǎn)生可調(diào)電阻的柔性導(dǎo)線，而無需額外的步驟。它消除了當(dāng)前制造方法的幾個缺點，使其可用于大規(guī)模制造柔性全碳器件的碳布線。

碳納米管(CNT)是由碳原子制成的圓柱形管狀結(jié)構(gòu)，具有非常理想的物理特性，如高強度，低重量以及出色的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。這使它們成為各種應(yīng)用的理想材料，包括增強材料、儲能和轉(zhuǎn)換設(shè)備以及電子產(chǎn)品。

然而，盡管有如此巨大的潛力，但碳納米管的商業(yè)化仍存在挑戰(zhàn)，例如將它們摻入塑料基板上以制造基于碳納米管的柔性器件。傳統(tǒng)的制造方法需要精心控制的環(huán)境，如高溫和潔凈室。此外，它們需要重復(fù)轉(zhuǎn)移以產(chǎn)生具有不同電阻值的CNT。

更直接的方法，如激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移(LIFT)和熱聚變(TF)已被開發(fā)為替代方案。在LIFT方法中，激光用于將CNT直接轉(zhuǎn)移到基板上，而在TF方法中，CNT與聚合物混合，然后通過激光選擇性地去除聚合物以形成具有不同電阻值的CNT線。

但是，這兩種方法都很昂貴，并且有其獨特的問題。LIFT需要昂貴的脈沖激光器和具有特定電阻值的CNT的制備，而TF使用大量未被利用并浪費的CNT。

為了開發(fā)一種更簡單和廉價的方法，日本東京理科大學(xué)的副教授Takashi Ikuno博士和他的合作者Hiroaki Komatsu先生，Yosuke Sugita先生和Takahiro Matsunami先生最近提出了一種新方法，該方法能夠在環(huán)境條件(室溫和大氣壓)下使用低成本激光器在塑料薄膜上制造多壁CNT(MWNT)布線。

這項突破發(fā)表在08年2023月10日的《科學(xué)報告》雜志上，涉及用約<>μm厚的MWNT薄膜涂覆聚丙烯(PP)薄膜，然后將其暴露在mW紫外激光下。結(jié)果是由MWNT和PP組合而成的導(dǎo)電線。

“這個過程可以輕松'繪制'可穿戴傳感器的布線和柔性設(shè)備，而無需復(fù)雜的過程，”Ikuno博士強調(diào)說。

研究人員將這些導(dǎo)線的形成歸因于MWNT和PP薄膜之間導(dǎo)熱系數(shù)的差異。當(dāng)MWNT/PP薄膜暴露在激光下時，MWNT層的高導(dǎo)熱性導(dǎo)致熱量沿著導(dǎo)線的長度傳播，導(dǎo)致MWNT-PP界面處的高溫和PP薄膜中其他地方的溫度較低。

在溫度最高的激光器正下方，PP擴散到MWNT薄膜中形成厚PP / MWNT復(fù)合材料，而在溫度相對較低的激光邊緣形成薄PP / MWNT層。

所提出的方法還允許通過簡單地改變照射條件在同一工藝中制造具有不同電阻值的碳線(無需重復(fù)轉(zhuǎn)移)，從而消除了額外的步驟。

將PP / MWNT薄膜暴露在高激光能量下，通過低掃描速度，大量激光曝光或使用高功率激光器來實現(xiàn)，產(chǎn)生具有更高濃度MWNT的更粗的電線。因此，MWNT的電阻率越低，導(dǎo)線越粗，每單位導(dǎo)線長度的電阻越低(電阻與導(dǎo)線的電阻率與導(dǎo)線厚度之間的比率成正比)。

通過精確控制MWNT/PP薄膜對激光的暴露，研究人員成功地制造了電阻值范圍很廣的MWNT導(dǎo)線，從0.789 kΩ/cm到114 kΩ/cm。此外，這些電線具有很高的柔韌性，即使在反復(fù)彎曲時也能保持其電阻。

此外，該方法解決了當(dāng)前技術(shù)的一個緊迫問題，即LIFT和TF技術(shù)無法重復(fù)使用制造過程中未使用的CNT。在所提出的方法中，激光照射期間未摻入PP薄膜的MWNT可以回收和重復(fù)使用，從而可以創(chuàng)建新的MWNT導(dǎo)線，電阻值幾乎沒有變化。

憑借其簡單性、CNT的有效利用以及制造高質(zhì)量電線的能力，新方法有可能實現(xiàn)柔性傳感器和能量轉(zhuǎn)換和存儲設(shè)備的柔性碳布線的大規(guī)模制造。

“與傳統(tǒng)方法相比，我們預(yù)計工藝成本將顯著降低。反過來，這將有助于實現(xiàn)低成本的柔性傳感器，這些傳感器有望大量應(yīng)用，“Ikuno博士總結(jié)道。