با استفاده از یک خودکار پر شده با جوهرهایی دارای فرمول خاص، دانشمندان LED هایی طراحی کرده اند که قابل کشیدن روی مواد روزمره هستند

محققان فناوری یک خودکار را توسعه داده‌اند که به کاربران اجازه می‌دهد یک LED را مستقیماً روی تکه کاغذ یا تقریباً هر سطح دیگری بنویسند.

حتی در عصر دیجیتال ما، خودکارهای نوک‌ساچمه‌ای(ballpoint pen) ابزاری غیرقابل جایگزین برای نوشتن جرقه های افکار یا امضای اسناد رسمی قانونی هستند. جوهر جاری شده از این اشیای روزمره همیشه یک جاذب غیرفعال نور بوده است، اما اکنون جونی ژائو Junyi Zhao از دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس و همکارانش آن را تغییر داده اند [1]. این تیم یک خودکار طراحی کرده که با جوهری مینویسد که به صورت دیود ساطع کننده نور (LED) نور تولید میکند.

LED ها در همه چیز از صفحه نمایش تلویزیون گرفته تا لامپ استفاده می شوند. آنها اغلب با استفاده از مواد نیمه رسانای بسیار قابل تنظیم به نام پروسکایت هالید ساخته می شوند. با این حال، ساخت این دستگاه‌ها به‌طور سنتی نیازمند زمان و انرژی بوده و به راحتی به لایه‌های غیریکنواخت مانند پارچه و پلاستیک نمی‌چسبند.

برای پرداختن به این مسائل، ژائو و همکارانش به یک رویکرد ساخت روی آوردند که هم سریع و هم کاربر پسند بود: خودکار نوک ساچمه ای. این ایده از کار قبلی همین گروه بیرون آمد که در آن از چاپگر جوهرافشان برای ایجاد LED های پروسکایت بر روی سطوح غیر صلب استفاده کرده بودند. ژائو می‌گوید چاپگرهای جوهرافشان رایج هستند، اما خودکار نوک ساچمه ای ابزار سریعتری است که هم دانشمندان و هم عموم مردم می‌توانند آن را به راحتی استفاده کنند. علاوه بر نوآوری، این تیم همچنین بر این باور است که این قلم می‌تواند در طراحی منسوجات الکترونیکی انعطاف‌پذیر، بسته‌بندی هوشمند و لوازم الکترونیکی پوشیدنی که بسیار قابل تنظیم و سریع-تولید هستند، کاربرد داشته باشد.

روش مبتنی بر خودکار برای تولید LED شامل استفاده از جوهرهای متعدد است: یک پلیمر رسانا (بنفش)، یک ماده پروسکایت (قهوه‌ای)، یک پلیمر بافر (آبی) و یک ترکیب نانوسیم نقره (خاکستری). جوهرها را می توان به صورت لایه ای به صورت موازی (سمت چپ) یا به صورت ضربدری (راست) قرار داد.

برای ایجاد این امکان، ژائو و همکارانش چهار "جوهر" مختلف ایجاد کردند که با استفاده از مجموعه‌ای از قلم‌ها روی هم قرار می‌گرفتند. اولین جوهری که اعمال می شود یک پلیمر رسانا است که به داخل پارچه یا بسترهای دیگر نفوذ می کند تا به ایجاد سطح صاف برای لایه های بعدی کمک کند. جوهر بعدی یک ماده پروسکایتی است که با استفاده از یک حلال رقیق شده است. جوهر سوم پلیمر دیگری است که یک لایه بافر را تشکیل می دهد و آخرین جوهر یک جوهر رسانا است که حاوی نانوسیم های نقره است.

محققان گرانروی این جوهر و سایر خواص آن را طوری کالیبره کردند که شبیه جوهر خودکارهای سنتی باشد. ژائو می‌گوید: این همترازی عمدی ویژگی‌های جوهر، تجربه نوشتنی شبیه به آنچه در زندگی روزمره وجود داشت را تسهیل می‌کرد.

تیم تحقیقاتی این جوهرها را روی بسترهای روزمره - مانند داخل یک ویال شیشه ای، سطح یک بادکنک لاستیکی و نوک یک دستکش پلاستیکی استفاده کردند. آنها لایه‌های جوهر را به یک باتری کوچک متصل کردند و تابش رنگ‌های مختلف (قرمز، سبز و آبی) را، بسته به پروسکایت دقیقِ مورد استفاده، مشاهده کردند. این تیم درخشندگی (شدت نور در هر منطقه) LED ها را اندازه گیری کردند و حداکثر مقادیری را در حدود 15000 کندلا در متر مربع یافتند که چندین برابر بیشتر از یک صفحه نمایش معمولی تلفن همراه است.

ژائو و همکارانش توانستند این LED ‌های مبتنی بر جوهر را در عرض چند دقیقه بسازند و دریافتند که خودکارها می‌توانند این لایه‌ها را بهتر از چاپ جوهرافشان و یکنواخت‌تر از چاپ رول روی سطوح غیر صاف اعمال کنند. آنها همچنین دریافتند که LED ها در برابر خم شدن، پیچش، تا شدن و باد شدن در سطوح مختلف مقاومت می کنند.

سام استرانکس Sam Stranks ، فیزیکدان دانشگاه کمبریج، و وی لیو Wei Liu ، دانشمند مواد در دانشگاه شیکاگو، هر دو موافقند که این کار درهای جدید هیجان انگیزی را به روی تحقیقات الکترونیک تعامل نوریِ منعطف، مانند آشکارسازهای نوری و سلول های خورشیدی باز خواهد کرد. با این حال، آنها همچنین معتقدند که کار آینده نیازمند مطالعه سازگاری و طول عمر این رویکرد کاربردی است.

لیو می‌گوید: چاپ کردن هر لایه بدون آسیب رساندن به لایه‌های زیرین همچنان چالش برانگیز است. تحقیقات بیشتر می تواند به بهینه سازی فرآیند چاپ برای اطمینان از عملکرد یکنواخت و قابلیت اطمینان طولانی مدت کمک کند.

به همین ترتیب، استرانکس می‌گوید که تیم باید آزمایش کند که آیا خودکارها می‌توانند بدون افت عملکرد در مدت زمان طولانی کار کنند یا خیر. او می‌گوید: ظواهر امر در این مقاله تا حدودی امیدوارکننده هستند، اما برای نشان دادن هزاران ساعت کار، به تائید بیشتری نیاز است.

ژائو می‌گوید فراتر از تشویق حوزه‌های جدید تحقیقاتی، این خودکار می‌تواند به بخشی از نمایش‌های علمی عمومی تبدیل شود. او می گوید که محققان به دنبال همکاری با شرکت های اسباب بازی های آموزشی برای توسعه محصولی بر اساس این فناوری هستند که بتواند مفاهیم کاربردی و اساسی فیزیک را در کلاسهای مدارس ابتدایی معرفی کند.

1- J. Zhao et al., “Handwriting of perovskite optoelectronic devices on diverse substrates,” Nat. Photonics (2023).

منبع:

Handwritten LEDs Light Up the Page

ترجمه خبر: شهره کرمی