I ricercatori IIT hanno realizzato il transitor stampato su plastica più veloce al mondo in grado di operare a frequenze di 20 MHz, sufficienti per far funzionare display flessibili ad alta risoluzione e dispositivi indossabili per la diagnostica medica e l’attività sportiva. La tecnica di produzione è scalabile, ecologica ed economicamente sostenibile.
Dalla collaborazione tra due centri dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), il Center for Nano Science and Technology (CNST-IIT) di Milano e il Center for Biomolecular Nanotechnologies (CBN –IIT) di Lecce, è nato il più veloce transistor flessibile stampato con polimeri organici. Il lavoro dei ricercatori IIT è stato appena pubblicato sulla rivista del gruppo Nature, Scientific Reports. Il dispositivo realizzato oggetto dello studio opera, primo al mondo, a velocità sufficientemente alte (20 MHz) per essere impiegabile nel campo delle etichette intelligenti, dei dispositivi indossabili per la diagnostica medica e il monitoraggio dell’attività sportiva, dell’Internet delle Cose (Internet of Things) dei display flessibili ad alta risoluzione e delle fotocamere digitali plastiche, leggere e conformabili.
La tecnica di produzione messa a punto dal gruppo di ricercatori è simile alla stampa a rotocalco e risulta quindi facilmente scalabile, e sostenibile dal punto di vista dei costi. Inoltre, i materiali impiegati sono tutti biocompatibili e facilmente riciclabili.
Si tratta del primo risultato del progetto HEROIC, partito ad aprile 2015 e coordinato dal ricercatore Mario Caironi del CNST – IIT di Milano. Il progetto, che ha ricevuto il prestigioso finanziamento di 1,6 mln di euro dallo European Research Council (ERC), ha come obiettivo sviluppare elettronica stampata, leggera, flessibile e a basso costo, che possa operare ad alte frequenze, necessarie per ampliare l’applicabilità di questa “elettronica di plastica”.
A limitare finora l’utilizzo di questa nuova famiglia di dispositivi, sono state le tecniche di produzione, troppo costose e difficilmente scalabili, e la frequenza di funzionamento, fino a oggi di pochi MHz. Il transistor è un dispositivo che, semplificando, funziona da interruttore ed è costituito da un materiale semiconduttore a cui sono attaccati degli elettrodi, chiamati terminali. Nell’elettronica tradizionale il materiale semiconduttore è il silicio, non biocompatibile e non flessibile, e i terminali sono metallici.
L’elettronica flessibile organica impiega invece come semiconduttori dei polimeri organici, e i terminali sono ottenuti con inchiostri, costituiti da nano-particelle metalliche disciolte in un materiale plastico organico. La costruzione di transistor a partire da questi elementi, si è basata finora su sofisticate tecniche di litografia e architetture molto complesse, producendo dispositivi funzionanti solo a bassa frequenza.
La tecnica di fabbricazione impiegata da Mario Caironi insieme ai suoi collaboratori passa attraverso due fasi fondamentali: durante la prima vengono “stampati” i terminali del transistor su plastica, obiettivo irraggiungibile con la stampa a getto di inchiostro tradizionale, e che finora era stato realizzato solo grazie alla litografia, una tecnica costosa e difficilmente scalabile; nella seconda fase un sottile strato di polimero semiconduttore viene disteso sul supporto che sorregge i terminali, usando una tecnica simile a quella della stampa a rotocalco. Il prodotto finale è un transistor organico, flessibile e funzionante a frequenze di 20 MHz (un impulso elettrico ogni 10 nanosecondi, ovvero ogni 10 miliardesimi di secondo).
“Da un lato è un po’ come se si tornasse indietro di qualche decina di anni, ai PC che funzionavano a qualche MHz, come i non giovanissimi ricorderanno. Solo che questa volta lo stiamo facendo con elettronica che può essere contenuta in un pezzetto di plastica trasparente, come il PET alimentare delle bottiglie per intenderci, e potenzialmente prodotta con un manifatturiero locale basato su linee di stampa, senza dipendere da economie di altri paesi”, commenta Mario Caironi. E aggiunge: “il potenziale è quello di poter portare intelligenza su oggetti di tutti i giorni, in forma di etichette plastiche o direttamente sugli oggetti, per rendere più efficiente la distribuzione dei prodotti, la loro conservazione e anche il loro smaltimento.” Il settore delle etichette intelligenti sembra infatti il primo da “colonizzare” con questi nuovi dispositivi. Per applicare un’etichetta elettronica su involucri alimentari o flaconi di plastica, non sarà necessario modificare le linee di produzione già esistenti e neanche rivedere il processo di riciclaggio, visto che l’elettronica contenuta nell’etichetta è completamente organica.
Il progetto di ricerca HEROIC, che giungerà a conclusione nel 2019, si pone un obiettivo ancora più ambizioso. “Pensiamo sia possibile raggiungere una frequenza di funzionamento dell’ordine dei GHz, associata con la trasmissione dell’informazione, così da permettere la comunicazione tra oggetti semplici”, afferma Andrea Perinot, studente di dottorato al CNST – IIT di Milano e primo autore dell’articolo pubblicato su Scientific Reports. In altre parole questi dispostivi potrebbero presto diventare la tecnologia abilitante per l’Internet Of Things.
Per approfondimenti:
Direct-written polymer field-effect transistors operating at 20 MHz
Autori: Andrea Perinot, Prakash Kshirsagar, Maria Ada Malvindi, Pier Paolo Pompa, Roberto Fiammengo & Mario Caironi http://www.nature.com/articles/srep38941