Inchiostri e stampanti hi-tech a servizio dell’elettronica del futuro

Combinare degli inchiostri hi-tech, derivati da materiali bidimensionali come ad esempio il grafene, per poter stampare su substrati flessibili, simili alla carta, dei dispositivi elettronici. E’ questo l’obiettivo attorno a cui ruota il progetto  di ricerca a cui sta lavorando il team del professor Gianluca Fiori, docente di Elettronica del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa. Uno studio di durata quinquennale, finanziato a livello europeo nell’ambito di un ERC Consolidator Grant, che ha visto l’ateneo toscano collaborare con l’Università di Manchester, insignita nel 2010 del premio Nobel per le sue ricerche sul grafene. In particolare il team di studiosi inglesi della professoressa Cinzia Casiraghi fornirà gli inchiostri per la sperimentazione, che permetteranno la stampa dei dispositivi elettronici sui substrati flessibili. 

Tante sono le possibili applicazioni pratiche legate alla ricerca, innovazioni che ci proiettano verso l’orizzonte di un futuro avveniristico fatto di etichette intelligenti in grado di dirci il livello di deterioramento di un prodotto o di cerotti ipertecnologici che forniscono dati su pH e glucosio. Un mondo dove forse un utente potrebbe addirittura riuscire a stamparsi autonomamente un cellulare. Naturalmente la strada è ancora lunga, ma è questa la direzione verso cui intende dirigersi la ricerca dell’Università di Pisa che lo scorso 6 aprile ha ospitato un’importante evento internazionale dedicato all’FP9, il Programma quadro europeo per la ricerca e l’innovazione che dal 2021 subentrerà a Horizon 2020. Un’occasione di dibattito da cui è emersa l’importanza del sostegno alla ricerca di frontiera come elemento fondante per lo sviluppo delle società.

Insieme al professor Fiori abbiamo approfondito alcuni aspetti legati al progetto

Qual è in concreto l’argomento su cui verte la ricerca?

Abbiamo a disposizione degli inchiostri fabbricati dall’Università di Manchester, dal gruppo della professoressa Cinzia Casiraghi. Questi inchiostri, che costituiscono un contributo fondamentale alla ricerca, sono ottenuti a partire dai materiali bidimensionali (ovvero materiali spessi come un singolo atomo) tra cui anche il grafene. Questi hanno caratteristiche fisiche interessanti dal punto di vista sia elettrico, sia meccanico. Selettrico il vantaggio è legato al fatto che, dipendentemente dal materiale 2D che si sceglie di utilizzare, si possono avere degli inchiostri conduttivi, isolanti o semiconduttori. Li potremmo pensare come dei “mattoncini” che possono essere impiegati, in linea di principio, per definire qualsiasi dispositivo elettronico.

L’idea è quella di utilizzare questi inchiostri combinandoli insieme. In pratica, li mettiamo dentro una stampante, li stampiamo su substrati flessibili come ad esempio la carta (stiamo lavorando più che altro su un tipo di carta vicina alla carta fotografica) e dalla successione di materiali stampati, si possono ottenere dei dispositivi elettronici.

Qual è a questo punto il prossimo step?

Una volta in grado di ottenere dei dispositivi elettronici, il passo successivo è quello di combinarli l’uno con l’altro per realizzare dei circuiti, sistemi un po’ più complessi rispetto al singolo dispositivo (ad esempio una resistenza, una capacità, un diodo, un transistore). Per strutture più complesse intendo un vero e proprio circuito elettronico, come per esempio quelli che fanno parte dei sistemi di trasmissione.

Una volta ottenuto questo risultato quali dispositivi sarà possibile creare in futuro con questa tecnica?

In linea di principio, una volta ottenuti questi dispositivi, le opportunità sono tante. E’ chiaro che non posso pensare di mettere su un foglio un numero troppo elevato dispositivi di questo tipo, come accade per esempio in un microprocessore di un computer. Tuttavia un sistema meno complesso come una radio è un obiettivo che si potrebbe raggiungere: ovviamente non in tempi brevi.

In quale fase del progetto siete?

Attualmente siamo in fase di definizione e fabbricazione del singolo dispositivo, ovvero resistenze, diodi, transistori etc, che  sono elementi fondamentali per l’elettronica. Una volta ottenuti attraverso un processo ripetibile e affidabile, cercheremo di combinarli insieme per passare alla realizzazione di sistemi elettronici complessi.

Torniamo alle applicazioni pratiche, può farci qualche altro esempio di dispositivo che potrà essere realizzato in futuro grazie a questa ricerca?

Una volta realizzata la tecnologia per la stampa di sistemi elettronici su substrati flessibili, sarà possibile realizzare delle etichette intelligenti dove vengono contenute tutte le informazioni relative ad esempio a prodotti surgelati, come il controllo della rottura catena del freddo o allo stato di degradazione del cibo. Un’altra applicazione è poi quella dei cerotti intelligenti che, oltre a ricoprire la ferita, effettuano delle analisi biometriche (livello di glucosio, ph). Un ulteriore esempio è poi l’applicazione nel settore dei metodi anticontraffazione. Si potrebbero, ad esempio, abbinare delle etichette intelligenti a un determinato bene usando proprietà specifiche degli inchiostri non facilmente riproducibili, questo in ottica anticontraffazione.

Qual è l’obiettivo più sfidante legato al progetto?

L’aspetto del progetto su cui ci concentreremo maggiormente sarà la definizione del transistore su cui stiamo lavorando. Una volta ottenuto questo risultato si possono poi realizzare i circuiti a cui accennavo prima.

Dal punto di vista dell’impatto ambientale il procedimento che state studiando presenta dei vantaggi?

L’impatto ambientale in termini di consumo energetico e di materiale utilizzato chiaramente è molto minore rispetto a processi standard. Si tratta di un cambio di paradigma: la produzione non sarebbe più collocata nella struttura centrale della fabbrica, ma distribuita.  L’orizzonte avveniristico in cui soluzioni di questo tipo ci proiettano è quello di un mondo, dove in futuro, l’utente potrà costruirsi il proprio circuito elettronico usando la stampante.