L’inchiostro di un pennarello rosso è diventato un circuito elettrico a base di grafene. La scoperta è stata effettuata da un gruppo di ricerca coordinato da Francesco Greco, professore associato di bioingegneria della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa. È il primo caso al mondo di circuito elettrico creato utilizzando un semplice pennarello e un raggio laser: materiali semplici e sostenibili per generare applicazioni innovative su qualsiasi superficie, come ad esempio una tazzina di caffè.
Lo studio, pubblicato sulla rivista scientifica Advanced Science, ha visto la collaborazione tra la Scuola Sant’Anna, Graz University of Technology, CSGI – Center for Colloid and Surface Science, Università di Firenze e Istituto Italiano di Tecnologia.
Da inchiostro a grafene grazie al colorante Eosina
“Il passaggio di un raggio laser sull’inchiostro lo trasforma in una forma di carbonio poroso e conduttivo che viene chiamato “grafene indotto dal laser”, detto LIG – spiega Francesco Greco – finora si credeva che fosse possibile ottenere questo LIG solo da certi particolari materiali plastici e polimeri, e questo era un po’ limitante in termini di applicazioni. Un inchiostro o una vernice invece hanno la caratteristica di poter essere usati facilmente e ovunque, come copertura di altri oggetti. Rappresentano inoltre una alternativa economicamente vantaggiosa.”
Lo studio è nato da un banale pennarello rosso, che viene usato per scrivere sulle lavagne e contiene uno specifico colorante, chiamato Eosina, che ha una struttura chimica simile a quella del grafene e ha un’alta stabilità alla temperatura.
Il primo ad accorgersi delle caratteristiche particolari del colorante Eosina è stato Alexander Dallinger, post-doc presso l’Institute of Solid State Physics (University of Graz), che ha osservato lo strano comportamento degli inchiostri quando irraggiati da un laser. “La scoperta iniziale è avvenuta in maniera fortuita. Stavo provando la scrittura laser su altri materiali, senza successo: nessuno veniva trasformato in grafene conduttivo. Su uno dei campioni avevo scritto con un pennarello rosso il suo nome per riconoscerlo. Per errore (o per fortuna?) il raggio laser è passato sopra la scritta: proprio in quel punto ho visto apparire una traccia nera, indicativa della trasformazione in grafene” racconta Dallinger.
Su qualsiasi superficie si può ricavare un circuito elettrico
Per trasformare il colore in un circuito, i primi passi compiuti dal gruppo di ricerca sono stati definire il disegno del circuito elettronico su un computer e tracciare il colore su una superficie a scelta, che può essere un foglio ma anche ad esempio una tazzina di caffè o degli occhiali. Una volta definite queste azioni, una macchina laser ha tracciato sulla superficie colorata il disegno realizzato al computer. Sotto l’effetto dell’esposizione al laser, il colorante Eosina si è trasformato chimicamente in grafene, ovvero in un materiale conduttivo.
“Questo approccio, denominato ‘Paint & Scribe’ integra su qualsiasi superficie un circuito elettrico a base di grafene, indotto da un laser: si colora un oggetto, poi ci si passa sopra il laser e si ottiene un circuito. È un sistema innovativo considerando che, finora, i circuiti elettrici a base di grafene venivano ottenuti solo su precursori polimerici” continua Francesco Greco.
Le applicazioni di questa scoperta vanno dall’elettronica alla robotica. “Questo studio, oltre ad analizzare il perché solo alcuni coloranti sono adatti alla trasformazione in LIG, vuole proporre questo metodo per la realizzazione di circuiti e sensori su qualsivoglia superficie – conclude Greco – anziché montare dei circuiti o sensori (spesso pesanti, costosi, ingombranti) sugli oggetti da sensorizzare, possiamo adesso pensare di “scriverli” direttamente dove serve. Questo potrà dare l’impulso ad applicazioni in moltissimi settori: l’elettronica stampabile, i sensori biomedici, la robotica, l’automazione, i sensori ambientali. Ci stiamo già occupando di alcune di queste applicazioni. Inoltre abbiamo iniziato lo studio di altri coloranti derivati da materiali naturali, nell’ottica di realizzare elettronica green.”
Un ruolo fondamentale nello studio lo hanno avuto anche Rodorico Giorgi e Rachel Camerini, rispettivamente professore associato e post-doc presso il Dipartimento di Chimica ‘Ugo Schiff’ dell’Università di Firenze e il CSGI – Center for Colloid and Surface Science. La loro esperienza nel campo dei colori e della chimica dei pigmenti è stata centrale per analizzare la composizione degli inchiostri e individuare i coloranti responsabili della formazione di grafene.
