Светлина в химикалка: Ето как може да пишем със светодиоди

Д ори в нашата дигитална ера химикалките са незаменим инструмент, с който да записваме проблясъците на обзелото ни вдъхновение или при подписване на правно обвързващи документи. Мастилото, протичащо през тях, винаги е било пасивен абсорбатор на светлина, но Джуни Джао от Вашингтонския университет в Сейнт Луис и колегите му са променили тази тенденция. Екипът е проектирал химикал, който пише с мастило, което произвежда светлина подобно диод, който излъчващ светлина (LED).

The pen is mightier than the sword, especially with newly designed inks that let writers express themselves in bright, hand-scribbled LEDs. Read more in this story by @SarahESWells. https://t.co/iMBsKswDYY

— Physics Magazine (@PhysicsMagazine) September 14, 2023

Светодиодите се използват във всичко - от телевизионни екрани до електрически крушки. Те често се правят с помощта на силно регулируеми полупроводникови материали, наречени халидни перовскити. Въпреки това, производството на тези устройства традиционно отнема много време и енергия и не се залепват лесно към нееднородни субстрати, като плат и пластмаса.

За да се справят с тези проблеми, Джао и колегите му са се обърнали към малко по-различно производство, което е едновременно бързо и полезно за потребителя – това на химикалки. Идеята произтекла от по-ранна работа на същия екип, в която те използвали мастиленоструен принтер за създаване на перовскитни светодиоди върху нетвърди повърхности. „Мастиленоструйните принтери са често срещани, но химикалката е по-широко разпространен инструмент, който може лесно да бъде използван както от учените, така и от широката общественост“, каза Джао. Отвъд своята иновативност, екипът също така вярва, че тази писалка може да има приложения в проектирането на гъвкави електронни текстили (e-textiles), смарт опаковки и преносима електроника, които са много адаптивни и бързи за производство.

https://t.co/DnIukfOPfv👕🤖 Heard of e-textiles? Electronic components are integrated into them to create wearable devices such as smart clothing that monitors vital signs and interactive fashion. @IDTechEx 's research shows e-textiles may have a greater role. By @jasmeenGdugal pic.twitter.com/uv3AG6Q6kK

— fashionabc (@fashionabc_) March 31, 2023

За да направят това възможно, Джао и колегите му създали четири различни „мастила“, които трябва да се наслагват едно върху друго с помощта на комплект химикалки. Първото мастило, което се нанася е проводим полимер, който прониква в тъканта или друг субстрат, за да помогне за създаването на гладка повърхност за следващите слоеве. Следващото мастило е перовскитен материал, който е разреден с разтворител. Третото мастило е друг полимер, който образува буферен слой, а последното е проводящо мастило, което съдържа сребърни наножици.

Изследователите калибрирали вискозитета на мастилото и други свойства, така че да наподобяват тези на традиционните мастила за химикалки. „Това умишлено подравняване със свойствата на мастилото улеснява писането, като така наподобява това, което извършваме в ежедневието“, каза Джао.

Изследователите от екипа приложили тези мастила върху ежедневни субстрати - като стъклено шише, гумен балон и синтетична ръкавица. Слоевете мастило се свързват с малка батерия и така могат да се наблюдават излъчвания в различни цветове - червено, зелено и синьо, в зависимост от използвания перовскит. От екипа измерили осветеността (светлинният интензитет на единица площ) на светодиодите и открили максимални стойности от около 15 000 кандела на m2, което е няколко пъти по-високо от екрана на мобилен телефон.

Джао и колегите му успели да произведат тези базирани на мастило светодиоди за няколко минути и открили, че химикалките могат да нанасят слоевете върху неравни повърхности по-добре от мастиленоструйния печат и по-равномерно от ролния печат. Те също така установили, че светодиодите издържат на множество огъвания, усуквания, сгъвания и надувания, в зависимост от различните повърхности.

Сам Странкс, физик от университета в Кеймбридж, и Уей Лиу, учен изследващ особеностите на материалите, от университета в Чикаго, са съгласни, че това откритие ще отвори нови врати в изследването на гъвкавата електроника, взаимодействаща със светлината, като фотодетектори и слънчеви клетки. Те обаче също така вярват, че бъдещата работа в тази посока ще трябва да проучи последователността и дълготрайността на този метод на приложение.

„Все още е предизвикателство да се печата с писалка всеки слой, без да се повредят долните слоеве“, каза Лиу. „По-нататъшни изследвания биха могли да се задълбочат в оптимизирането на процеса на печат, за да се осигури еднаква производителност и дългосрочна надеждност.“

Странкс допълни, че екипът ще трябва да тества дали химикалките могат да работят без загуба на производителност за продължителни периоди от време. „Демонстрациите в документа са донякъде обещаващи, но ще са необходими повече тестове, за да се демонстрира възможността продължителна работа“, каза той.

Освен насърчаването на нови области на изследване, Джао каза, че писалката може да стане част от популярни научни демонстрации. „Търсим сътрудничество с компании за образователни играчки при разработването на продукт, базиран на тази технология, който би могъл да въведе приложни и фундаментални концепции по физика в класните стаи на началните училища“, каза той.