Circuiti stampati di gommalacca a salvaguardia dell’ambiente

Elettronica “green” grazie agli studi dell’EMPA di impiego di un noto biomateriale per le matrici dei chip: gli… escrementi della cocciniglia

Gli imballaggi “intelligenti” grazie a sensori che controllano le merci, soprattutto deperibili come la frutta e la verdura, su lunghi percorsi di trasporto sono una tendenza per il futuro.
Tuttavia, l’elettronica stampata e monouso causa anche seri problemi: i metalli negli inchiostri da stampa sono costosi e smaltirli in modo ecologico è altresì molto dispendioso, aggravando il problema dei rifiuti elettronici. Una nuova soluzione, elaborata in Svizzera dai ricercatori dell’EMPA, mira a porvi rimedio.

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Più precisi, veloci e più economici con le secrezioni di un insetto

Gli scienziati di tutto il mondo hanno lavorato per anni alla produzione di circuiti elettrici ed elettronici utilizzando processi additivi come la stampa robotizzata 3D (il cosiddetto “robocasting”) con grande successo, ma ora questa attitudine sta diventando un problema.
Le particelle di metallo che rendono tali “inchiostri” elettricamente conduttivi stanno esacerbando il problema dei rifiuti elettronici.
Il problema è ancora più serio nella misura in cui la “immondizia” di questo tipo generata dal mercato è destinata ad aumentare in futuro in vista del lancio di nuovi tipi di sensori monouso, alcuni dei quali vengono e verranno utilizzati soltanto per pochi giorni.
“Rifiuti inutili”, pensa Gustav Nyström, capo del centro di ricerca specializzato Cellulose & Wood Materials dei Laboratori Federali Svizzeri per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali: “C’è un urgente bisogno di materiali che bilancino prestazioni elettroniche, costi e sostenibilità”.
Per sviluppare un inchiostro ecologico, l’équipe dello scienziato svedese si è quindi posto obiettivi ambiziosi: senza metalli, non tossico e biodegradabile. E, pensando alle applicazioni pratiche, anche facilmente modellabile e stabile all’umidità e al calore moderato.

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Piastrine allungate di grafite mescolate con particelle di fuliggine

I ricercatori dell’EMPA hanno scelto il carbonio economico come materiale conduttore, come hanno recentemente evidenziato sulla rivista “Scientific Reports“.
Più precisamente: piastrine allungate di grafite mescolate con minuscole particelle di fuliggine, che stabiliscono un contatto elettrico tra queste stesse strutture, il tutto in una matrice fatta di un noto biomateriale: la gommalacca, che si ottiene dagli escrementi o secrezioni delle cocciniglie.
Le cocciniglie o, impropriamente, coccidi (Coccoidea Handlirsch), sono una superfamiglia di insetti fitofagi compresi nell’ordine dei Rhynchota (sottordine Homoptera, sezione Sternorrhyncha). Il nome cocciniglia deriva dallo spagnolo cochinilla (“porcellino di terra“). Sono insetti esclusivamente fitomizi e costituiscono uno tra i più importanti raggruppamenti di insetti dannosi.
In passato, essa veniva usata per realizzare dischi musicali; oggi è usata, tra le altre cose, come vernice per strumenti di legno e per laccare le unghie.
I suoi vantaggi corrispondono esattamente al profilo desiderato dai ricercatori. Inoltre, è solubile in alcool, dunque un solvente poco costoso che evapora dopo l’applicazione dell’inchiostro e si asciuga.

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Un materiale fluido, se sottoposto a una forza di taglio laterale

Nonostante questi semplici ingredienti, il compito si è rivelato più impegnativo del previsto. Questo perché, se usato nella semplice stampa serigrafica o con le moderne printer in 3D, l’inchiostro deve mostrare un comportamento di assottigliamento al taglio.
A “riposo”, l’inchiostro è piuttosto viscoso. Ma al momento della stampa, quando è sottoposto a una forza di taglio laterale, diventa un po’ più fluido, proprio come una vernice murale non gocciolante che acquisisce una consistenza più morbida soltanto quando viene applicata dalla forza del rullo.
Quando viene utilizzato nella produzione additiva come la stampa 3D con un braccio robotico, tuttavia, questo è particolarmente difficile: un inchiostro troppo viscoso sarebbe troppo duro – ma se diventa troppo liquido durante la stampa, i componenti solidi potrebbero separarsi e intasare il piccolo ugello della stampante.

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Superati i test nei processi impegnativi come il “robocasting”

Per soddisfare i necessari requisiti, i ricercatori hanno armeggiato intensamente con la formulazione del loro inchiostro. Hanno testato due dimensioni di piastrine di grafite: 40 micrometri e da 7 a 10 micrometri di lunghezza.
Molte variazioni e tentativi sono stati necessari anche nel rapporto di miscelazione di grafite e nerofumo, perché troppo nerofumo rende il materiale fragile con il rischio di crepe e fessurazioni quando l’inchiostro si asciuga.
Il nero di carbone o nerofumo è un pigmento, prodotto dalla combustione incompleta di prodotti petroliferi pesanti, quali catrame di carbone fossile, catrame ottenuto dal cracking dell’etilene, o da grassi ed oli vegetali.
Ottimizzando la formulazione e la composizione relativa dei componenti, il team dell’EMPA è stato in grado di sviluppare diverse varianti dell’inchiostro, che possono essere utilizzate in diversi processi di stampa bidimensionali o tridimensionali.
“La sfida più grande era quella di ottenere un’alta conduttività elettrica”, dice Xavier Aeby, uno dei ricercatori coinvolti, “e allo stesso tempo formare una rete simile a un gel di carbonio, grafite e gommalacca”.
Gli scienziati del centro di ricerca Cellulose & Wood Materials hanno studiato il comportamento pratico di questo materiale in diverse fasi.
Per esempio, con un piccolo cuboide di prova: 15 griglie sovrapposte dalla stampante 3D, fatte di fili sottili di appena 0,4 millimetri di diametro.
Ciò ha dimostrato che l’inchiostro era sufficiente anche per processi impegnativi come il “robocasting”.

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Un sensore in PET per le deformazioni con resistenza elettrica

Per provare la sua idoneità alla realizzazione di componenti reali, i ricercatori hanno costruito, tra l’altro, un sensore per le deformazioni: una sottile striscia di PET con una struttura di inchiostro stampata su di essa, la cui resistenza elettrica cambiava con grande precisione secondo vari gradi di piegatura.
Inoltre, i test per la resistenza alla trazione, la stabilità in acqua e altre proprietà hanno mostrato risultati promettenti, e così il team di ricerca dell’EMPA è fiducioso che il nuovo materiale, che è già stato brevettato, potrebbe dimostrarsi ideale nella pratica.
“Speriamo che questo sistema di inchiostro possa essere utilizzato per applicazioni nell’elettronica stampata sostenibile”, ha concluso Gustav Nyström.
“Ciò vale, ad esempio, per tracce conduttive ed elementi sensoriali in imballaggi intelligenti e dispositivi biomedici o nel campo del rilevamento alimentare e ambientale”.

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