Специалисты из Томского политехнического университета разработали универсальный способ обработки материалов с использованием лазера. Эта технология позволяет создавать из одного исходного образца два материала, существенно различающихся по своим свойствам: медный композит и сплав меди с графеном, сформированным под воздействием лазера. Полученные политехниками материалы отличаются прочностью, гибкостью, устойчивостью к окислению и не нуждаются в дополнительных защитных слоях.
Работа была поддержана грантом Российского научного фонда ( № 23-42-00081). Результаты работы ученых появились в журнале ACS Applied Materials & Interfaces (Q1, IF: 8,3).
Лазерная обработка наноматериалов и селективное лазерное спекание представляют собой многообещающие подходы к производству гибкой электроники. Эти технологии позволяют точно, с экономической выгодой и в больших объемах задавать материалам требуемые характеристики, такие как электропроводность. На этом принципе основано создание гибких устройств для измерения деформации и температуры, а также антенн. Тем не менее, материалы, подвергшиеся такой обработке, сохраняют невысокую механическую устойчивость, подвержены окислению и характеризуются слабой адгезией к подложке, что делает устройство восприимчивым к повреждениям при изгибах и воздействии влаги.
Ученые из научной группы TERS-Team Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха разработали новый одностадийный способ лазерной модификации наночастиц меди, расположенных на полимерной основе (PET). Варьируя параметры лазерного воздействия, можно получить либо медь-полимерный композит, имеющий защитную оболочку, либо медьсодержащий лазерно-индуцированный графен, нанесенный на гибкую подложку из PET.
«Для изменения свойств материала наша технология применяет точно контролируемую лазерную мощность и обработку наночастиц меди. При небольших значениях мощности лазерные лучи плавят наночастицы меди и заключают их в полимер, что приводит к формированию медного композита без оксидов, обладающего низким электрическим сопротивлением и высокой устойчивостью к воздействию влажности и температуры. Увеличение мощности лазера способствует образованию гибридной структуры, в которой наночастицы меди действуют как катализаторы и поддерживают формирование лазерно-индуцированного графена непосредственно в PET. При этом сохраняются проводимость и гибкость материала, — подчеркивает один из авторов исследования, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес.
Химический и структурный анализ выявил, что материалы, прошедшие модификацию по технологии, разработанной в ТПУ, сохранили свою устойчивость после 100 циклов деформации. Испытания проводились в условиях постоянной влажности, превышающей 95%, и при температуре 70°C в течение трех дней, а также при влажности >95% и температуре 40°C в течение 10 дней. Это свидетельствует о высокой стабильности полученных структур.
Политехники разработали гибкие сенсоры, используя инновационный метод обработки, в качестве основы для которых пошли никель, медь и медь, полученная посредством лазерной абляции. Проведенные исследования продемонстрировали, что электрические и термоэлектрические свойства полученных материалов не уступают, а в некоторых случаях и превосходят показатели ряда уже известных материалов, созданных на основе полимеров PET.
«Наша технология обладает высокой масштабируемостью, позволяя обрабатывать как отдельные пиксели, размер которых достигает десятков микрон, так и области, занимающие площадь в несколько квадратных сантиметров. Это дает возможность подбирать и изменять характеристики материалов в соответствии с требуемыми функциями разрабатываемого устройства. «Мы использовали эту особенность для создания гибкой термопары, где каждый конец формируется из медных наночастиц и различается только параметрами лазерной обработки», – отмечает один из авторов исследования, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Евгения Шеремет.
Разработки специалистов из политехнического института в перспективе могут послужить базой для создания материалов, используемых в высокоэффективных сенсорах и термочувствительных приборах.
Сообщение поступило из пресс-службы Томского политехнического университета