图源：来自日本TUS的Takashi Ikuno

碳纳米管（CNTs）是由碳原子制成的圆柱形管状结构，具有非常理想的物理特性，如高强度、低重量以及出色的导热性和导电性。这使它们成为各种应用的理想材料，包括增强材料、储能和转换设备以及电子产品。

然而，尽管有如此巨大的潜力，但碳纳米管的商业化仍存在挑战，例如将它们掺入塑料基板上以制造基于碳纳米管的柔性器件。传统的制造方法需要精心控制的环境，如高温和洁净室。此外，它们需要重复转移以产生具有不同电阻值的CNTs。

更直接的方法，如激光诱导前向转移（LIFT）和热聚变（TF）已被开发为替代方案。在LIFT方法中，激光用于将 CNTs 直接转移到基板上，而在TF方法中， CNTs 与聚合物混合，然后通过激光选择性地去除聚合物以形成具有不同电阻值的 CNTs 线。

然而，这两种方法都是昂贵的，并有其独特的问题。LIFT需要昂贵的脉冲激光和制备具有特定电阻值的 CNTs ，而TF使用大量未被利用并浪费的 CNTs 。

为了开发一种更简单和廉价的方法，日本东京科学大学的副教授Takashi Ikuno博士和他的合作者Hiroaki Komatsu先生，Yosuke Sugita先生和Takahiro Matsunami 先生最近提出了一种新的方法，可以在常温和常压条件下使用低成本激光在塑料薄膜上制造多壁碳纳米管(MWNT)布线。

这项突破发表在 Scientific Reports 上，涉及在聚丙烯(PP)薄膜上涂上约10 μm厚的MWNT薄膜，然后将其暴露在mW紫外线激光下。其结果是由MWNT和PP的组合制成的导电线。

“这个过程可以轻松'绘制'可穿戴传感器的布线和柔性设备，而无需复杂的过程，”Ikuno博士说。

在聚丙烯衬底上制造碳纳米管布线的示意图。(a) PP上碳纳米管成膜示意图。(b)激光照射PP上碳纳米管成膜。(c)激光照射后去离子水清洗示意图。(d)清洗后。(e)在PP上弯曲制作碳纳米管布线。

研究人员将这些导线的形成归因于MWNT和PP薄膜之间导热系数的差异。当MWNT/PP薄膜暴露在激光下时，MWNT层的高导热性导致热量沿着导线的长度传播，导致MWNT-PP界面处的温度升高，PP薄膜中其他地方的温度较低。

在温度最高的激光器正下方，PP扩散到MWNT薄膜中形成厚PP / MWNT复合材料，而在温度相对较低的激光边缘形成薄PP / MWNT层。

所提出的方法还允许通过简单地改变照射条件在同一工艺中制造具有不同电阻值的碳线（无需重复转移），从而消除了额外的步骤。将PP / MWNT薄膜暴露在高激光能量下，通过低扫描速度，大量激光曝光或使用高功率激光器来实现，产生具有更高浓度MWNTs的更粗的导线。

因此，MWNT的电阻率越低，导线越粗，每单位导线长度的电阻越低（电阻与导线的电阻率与导线厚度之间的比率成正比）。

通过精确控制MWNT/PP薄膜对激光的暴露，研究人员成功地制造了电阻值范围很广的MWNT导线，从0.789 kΩ/cm到114 kΩ/cm。此外，这些导线具有很高的柔韧性，即使在反复弯曲时也能保持其电阻。

此外，该方法解决了当前技术的一个紧迫问题，即LIFT和TF技术无法重复使用制造过程中未使用的CNTs。在所提出的方法中，激光照射期间未掺入PP薄膜的MWNT可以回收和重复使用，从而可以创建新的MWNT导线，电阻值几乎没有变化。

凭借其简单性、CNTs的有效利用以及制造高质量导线的能力，新方法有可能实现柔性传感器和能量转换和存储设备的柔性碳布线的大规模制造。

“与传统方法相比，我们预计工艺成本将显著降低。反过来，这将有助于实现低成本的柔性传感器，这些传感器有望大量应用，“Ikuno博士总结道。

文献信息：

Hiroaki Komatsu et al, Direct formation of carbon nanotube wiring with controlled electrical resistance on plastic films, Scientific Reports (2023). 

DOI: 10.1038/s41598-023-29578-w