В Томске создан сверхпрочный нанокомпозит для гибкой электроники

Исследователи Томского политеха совместно с коллегами из Германии, Нидерландов и Китая разработали многофункциональную сенсорную платформу на основе прочного нанокомпозита. Ученые провели лазерную обработку графена, модифицированного солями диазония, который был нанесен на поверхность полиэтилентерефталата (ПЭТ). Под воздействием лазера формируется электропроводящий полимерный композит с улучшенными прочностными характеристиками. Технология по сравнению с существующими аналогами более эффективная, простая в исполнении, не требующая использования сложного энергоемкого и дорогостоящего оборудования.

Ранее научной группой уже предлагалось использование графена, модифицированного солями диазония, для создания проводящих и стабильных структур на стекле и полимере в работе, опубликованной в Materials Horizons. Однако только сейчас удалось доказать формирование композита, исследовать механизм процесса и показать, что свойства конечного материала зависят от параметров лазерной обработки. Для этого использовались методы физико-химического анализа материалов, а также высокоскоростная видеосъемка, компьютерные симуляции и исследование антибактериальной активности.

Проводящие полимерные нанокомпозиты - это новые функциональные материалы, применяемые в гибкой электронике, производстве химических и электрохимических датчиков, портативных медицинских устройств, батарей и интернете вещей. Графен является наиболее прочным и легким электропроводящим соединением углерода, он превосходит проводники и оксиды металлов по ряду параметров. А модификация солями диазония позволяет получить из гидрофобного вещества суспензию, что важно для нанесения материала на полимерные подложки.

Графен в виде суспензии ученые нанесли тонкой пленкой на подложку из ПЭТ, после чего подвергли лазерному облучению. Благодаря комбинации термического и фотохимического эффектов проходит несколько важных процессов. В частности, под воздействием высоких температур происходит частичное вплавление графена в полимер. Это делает композит особенно прочным и устойчивым к внешним механическим воздействиям.

"Принципиальная особенность технологии - возможность управлять свойствами композита при контроле параметров лазерной обработки. При облучении происходит частичное "выжигание" из графена солей диазония, благодаря чему материал становится электропроводящим. Чем больше групп солей диазония удалено таким образом, тем выше электрическая проводимость. Регулируя мощность лазера, длину волны, скорость перемещения, мы регулируем электрическую проводимость материала. Это позволяет использовать один и тот же материал в разных устройствах и создавать целую линейку различных датчиков на основе одной технологии",- рассказывает первый автор статьи, ассистент исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Анна Липовка.

Сейчас ученые исследуют возможность использования лазерного облучения для получения сверхпрочных электропроводящих композитов на основе стеклянных подложек. Эта разработка может быть актуальна для оптоэлектроники и сенсорики.

По материалам статьи "Photoinduced Flexible Graphene/Polymer Nanocomposites: Design, Formation Mechanism, and Properties Engineering"; Anna Lipovka, Ilia Petrov, Maxim Fatkullin, Gennadiy Murastov, Alexey Ivanov, Nelson E. Villa, Sergey Shchadenko, Andrey Averkiev, Anna Chernova, Fedor Gubarev, Muhammad Saqib, Wenbo Sheng, Jin-Ju Chen, Olfa Kanoun, Ihsan Amin, Raul D. Rodriguez, Evgeniya Sheremet; журнал Carbon, июль 2022 г.