Come manomettere una stampante desktop per produrre batterie e circuiti

Volete produrre una tazza intelligente che sappia indicarvi se il caffè è bollente? Una stampante personalizzata riesce a produrre i circuiti flessibili e i supercondensatori necessari.

di Katherine Bourzac

Nel laboratorio di Sang-Young Lee, una stampante a getto di inchiostro dall’aspetto apparentemente regolare e trascurato è stata modificata per produrre circuiti elettronici e supercondensatori. Per la modifica, Lee ha svuotato le cartucce di inchiostro e le ha riempite con una speciali formule di materiali per batterie e inchiostri conduttori. Una volta caricate con carta della carta trattata, le sue stampanti producono durevoli superconduttori flessibili e semplici componenti per circuiti nella forma di una mappa ad alta risoluzione della Corea, di un fiore o di qualunque altro disegno desiderato.

Lee, un chimico delle batterie presso l’Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Sud Corea, ha lavorato a batterie flessibili stampate per cinque anni. “L’architettura della batteria non è cambiata dalla nascita della batteria agli ioni di litio”, dice. I materiali per accumulare energia vengono fusi su una pellicola metallica ed avvolti in un elettrolita liquido seguendo alcune forme di base – gettoni, cilindri e celle prismatiche rettangolari. A prescindere dalla loro applicazione, su fibre di tessuto o sul corpo stesso, ad esempio, il design dei monitor per la salute è vincolato dalla necessità di montare una scatola per le batterie. Lee, invece, vuole produrre batterie flessibili che possano essere fatte sparire all’interno del design e che necessitino di attrezzature semplici quanto una stampante a getto di inchiostro.

Per dar vita alla sua idea, Lee ha dovuto creare su misura tutti i materiali da includere nella ricetta. Una sbavatura o penetrazione degli inchiostri nella carta avrebbe impedito ai supercondensatori di funzionare correttamente. Così, il primo strato stampato è costituito da un primer in cellulosa che assorbe gli inchiostri e impedisce loro di sfuggire sulla carta. A questo strato seguono i nanotubi in carbonio, che prendono il posto del collettore di corrente di una batteria, ed elettrodi in nanofilo d’argento, seguiti da inchiostro elettrolita. Ciascun inchiostro è stato formulato in maniera tale da scorrere attraverso le testine della stampante senza intasarle durante o dopo la deposizione.

Fondamentale per il sistema di Lee è stato lo sviluppo di un elettrolita che fosse compatibile con la stampa a getto di inchiostro. L’elettrolita, il medium che conduce ioni ed elettroni, è solitamente liquido. Lee è il primo ad aver sviluppato un insieme di materiali, elettrolita incluso, che sono compatibili con una stampante a getto. Altri progetti, dice, richiedono l’aggiunta di un elettrolita liquido dopo che le altre parti sono state stampate. La necessità di contenere quel liquido limita i possibili design di una batteria stampata. Esistono già alcuni materiali elettroliti allo stato solido, ma nessuno di questi è compatibile con la stampa a getto o presenta la flessibilità necessaria per operare su una base di carta.

Il prototipo di Lee, descritto nel giornale Energy & Environmental Science, mostra come una batteria ed i suoi circuiti possano essere fatti sparire all’interno di design stampati. Su una delle pellicole stampate, la parola “BATTERIA” alimenta le parole “CIRCUITO STAMPATO”, che trasportano l’elettricità fino a dei LED. Nel modello per una pellicola da avvolgere attorno a una tazza per il caffè, un supercondensatore alimenta un sensore che attiva una luce blu per illuminare la scritta “FREDDO”, o una rossa per illuminare la scritta “CALDO”, a seconda della temperatura della bevanda.

“Il traguardo per l’Internet delle Cose è spostare la tecnologia nel sottofondo così da permetterci di interagire con il mondo in modi apparentemente naturali”, spiega Inna Lobel, ingegnere meccanico e designer industriale presso la società di design newyorkese Frog. Questi supercondensatori stampati, dice, accennano all’aspetto che queste tecnologie potrebbero avere in futuro.

Ovviamente, resta ancora molto lavoro da ultimare. A dimostrazione della novità di questo campo, Lee ha dovuto anche sviluppare le attrezzature necessarie a testare le sue batterie flessibili. Una macchina su misura le prestazioni elettriche delle batterie durante la loro torsione e deformazione. Il prossimo passaggio sarà migliorare la capacità totale dei dispositivi stampati e cercare di stamparli su materiali differenti.

(MO)

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