Det första fallet av en elektrisk krets skapad med hjälp av en enkel markeringspenna och en laserstråle visar att enkla och hållbara material kan generera innovativa tillämpningar på vilken yta som helst, till exempel en kaffekopp.
En forskargrupp under ledning av Francesco Greco, docent i bioteknik vid Sant’Anna School of Advanced Studies i Pisa, har omvandlat bläcket i en röd tuschpenna till en grafenbaserad elektrisk krets. Studien, som publicerats i tidskriften Advanced Science, är resultatet av ett samarbete mellan Sant’Anna School, Graz University of Technology, CSGI—Center for Colloid and Surface Science, Universitetet i Florens och Istituto Italiano di Tecnologia.
”När man riktar en laserstråle mot bläcket omvandlas det till en form av poröst och ledande kol som kallas ’laserinducerat grafen’ (LIG). Hittills trodde vi att det endast var möjligt att få fram LIG från vissa plastmaterial och polymerer, vilket på något sätt begränsade dess användningsområden. Bläck eller färg kan däremot användas enkelt och var som helst för att belägga andra föremål. De är också ett ekonomiskt fördelaktigt alternativ”, säger Greco.
Från bläck till grafen: Färgämnet eosins roll
Studien, som ingår i det europeiska projektet 5DNanoprinting, har sitt ursprung i en vardagsföremål: en röd tuschpenna, som man köper i pappersaffärer och använder för att skriva på whiteboardtavlor. Denna röda tuschpenna innehåller ett specifikt färgämne som kallas eosin, som har en kemisk struktur som liknar grafen och är mycket temperaturstabil.
Den första som uppmärksammade de speciella egenskaperna hos färgämnet eosin var Alexander Dallinger, postdoktor vid Institutet för fastfysik (Universitetet i Graz). Dallinger observerade bläckets märkliga beteende när det bestrålades med laser.
”Den första upptäckten gjordes av en slump. Jag försökte skriva med laser på andra material, utan framgång. Inget av dem förvandlades till ledande grafen. Jag hade skrivit på ett av proverna med en röd markeringspenna för att känna igen det. Av misstag (eller tur?) passerade laserstrålen över texten. Just då såg jag ett svart spår dyka upp.
”Fascinerad analyserade jag det omedelbart: Spåret var ledande och det var grafen. Detta ledde till många frågor: Vad är pennan gjord av? Varför fungerar den pennan och inte andra? Vad är den hemliga ingrediensen? Dessa frågor var utgångspunkten för hela studien och upptäckterna som ledde till denna publikation”, säger Dallinger.
”Paint & Scribe”-metoden: En elektrisk krets kan skapas på vilken yta som helst
För att omvandla färgen till en krets var de första stegen som forskargruppen tog att definiera utformningen av den elektroniska kretsen på en dator och spåra färgen på en yta efter eget val (det kunde till exempel vara ett papper, en kaffekopp eller ett par glasögon).
När dessa åtgärder hade definierats spårade en lasermaskin den datorgenererade designen på den färgade ytan. När den utsattes för lasern omvandlades eosinfärgämnet kemiskt till grafen, ett ledande material.
”Denna metod, som kallas ”Paint & Scribe”, integrerar en grafenbaserad elektrisk krets på valfri yta med hjälp av en laser. Måla ett föremål, låt lasern passera över det och du får en krets. Det är ett innovativt system, med tanke på att grafenbaserade elektriska kretsar hittills endast har kunnat skapas på polymera prekursorer”, förklarar Greco.
Pisa-Firenze-Graz: Innovationstriangeln
Rodorico Giorgi och Rachel Camerini, respektive docent och postdoktor vid kemiska institutionen Ugo Schiff vid universitetet i Florens och CSGI – Center for Colloid and Surface Science, spelade också en viktig roll i studien. Deras erfarenhet inom färg- och pigmentkemi var avgörande för att analysera bläckens sammansättning och identifiera de färgämnen som ansvarar för bildandet av grafen.
”Vi arbetar inom området kulturarv och studerar materia och dess omvandlingar. Det är förvånande hur kunskap om organiska färgämnens egenskaper plötsligt visar sig vara nyckeln till att tolka ett fenomen som aldrig tidigare har setts. Man vet mycket, men man kan inte förklara allt. Sedan en dag lägger man ihop två pusselbitar och tar ett steg framåt. Det är det som är det fina med vetenskap”, förklarar Giorgi.
Möjliga tillämpningar
”Jag tror att vår studie är ett exempel på hur vetenskaplig nyfikenhet oväntat kan leda till praktiska och tillämpbara konsekvenser. Förutom att analysera varför endast vissa färgämnen är lämpliga för omvandling till LIG, syftar denna studie till att föreslå denna metod för tillverkning av kretsar och sensorer på alla ytor”, säger Greco.
”I stället för att installera kretsar eller sensorer (som ofta är tunga, dyra och skrymmande) på de objekt som ska sensoriseras, kan vi nu tänka oss att ’skriva’ dem direkt där de behövs. Detta skulle kunna ge en skjuts åt tillämpningar inom många sektorer: tryckbar elektronik, biomedicinska sensorer, robotik, automatisering, miljösensorer. Vi arbetar redan med några av dessa tillämpningar.
”Vi har också börjat studera andra färgämnen som härrör från naturliga material, med målet att skapa grön elektronik”, avslutar Greco.
Mer information: Alexander Dallinger et al, Laser‐Induced Graphene from Commercial Inks and Dyes, Advanced Science (2025). DOI: 10.1002/advs.202412167
