Inchiostro conduttivo all'argento

Buongiorno, oggi vi propongo la preparazione di un inchiostro all'argento che permette di tracciare, su substrato plastico, i proprio circuiti hobbistici ottenendo un prodotto molto simile ad una PCB (Printed Circuit Board).

Questo inchiostro presenta alcuni vantaggi rispetto a quelli già esistenti: la produzione e l'applicazione sono semplici, la bassa viscosità e l'assenza di particolato sospeso lo rende compatibile con le stampanti a getto di inchiostro, presenta una temperatura di tempra molto bassa, di 100°C rispetto ai 200+°C richiesti per inchiostri a nanoparticelle e dimostra una conducibilità molto migliore rispetto agli inchiostri organici.

Introduzione

Questo inchiostro può essere definito come un reattivo di Tollens modificato; esso contiene il complesso diamminoargeno(I) acetato il quale, quando l'inchiostro viene lasciato seccare, perde le due molecole che fungono da leganti e rendono il catione metallico suscettibile alla riduzione ad argento metallico a causa della presenza ioni formiato in soluzione dando argento metallico e diossido di carbonio.

Il complesso diamminoargento(I) acetato viene ottenuto in due step; in primo luogo viene precipitato l'acetato d'argento per reazione di acetato di sodio con nitrato d'argento secondo reazione

AgNO₃ + CH₃COONa --> CH₃COOAg + NaNO₃

Successivamente il precipitato viene dissolto in idrossido d'ammonio che porterà alla formazione del complesso desiderato, attraverso la formazione di ossido d'argento che successivamente reagisce per dare il prodotto:

2CH₃COOAg + 2NH₄OH --> Ag₂O + 2CH₃COONH₄ + H₂O

Ag₂O + 2CH₃COONH₄ + H₂O + 4NH₃ --> 2[Ag(NH₃)₂]CH₃COO + 2NH₄OH

L'aggiunta di acido formico causa la formazione di ammonio formiato in soluzione, riducendo il pH della soluzione e rendendo più favorevole l'esistenza di ammonica libera facilitando la formazione del complesso.

Durante la fase di asciugatura si osserva la formazione di argento metallico e argento acetato secondo la seguente relazione:

2[Ag(NH₃)₂]CH₃COO + COONH₄ --> Ag + CH₃COOAg + 5NH₃ + CH₃COOH + CO₂ + H₂O

Le traccie lasciate da questo inchiostro saranno quindi costituite dal 57% in peso di argento mentre il restante 43% da acetato d'argento, secondo analisi effettuate dai ricercatori della fonte.

Reagenti

Nitrato d'argento                                                              1.0g

Acetato di sodio triidrato                                                   0.9g

Ammonio idrossido                  25%-35%                          2.5mL

Acido formico                               85%                             0.2mL

Parte Sperimentale

Si inizia ponendo in due becker rispettivamente 1.0g di argento nitrato e 0.9g di acetato di sodio triidrato questi vengono dissolti in circa 10mL di acqua distillata .

Le due soluzioni vengono miscelate, si osserverà la formazione di un precipitato bianco non particolarmente floculare.

L'acetato d'argento così ottenuto viene posto in un imbuto con setto poroso e filtrato con vuoto e successivamente lavato tre volte con acqua distillata a pompa spenta; si consigli di lavorare in un luogo non direttamente raggiunto dalla luce, io ho utilizzato una striscia di LED RGB con luce rossa, in quanto l'acetato d'argento è fotosensibile.

Dopo i lavaggi con acqua distillata si lava accuratamente e si asciuga la beuta codata sottostante, successivamente a pompa spenta si aggiunge 1mL di ammonio idrossido tramite una siringa, si dissolve l'acetato d'argento con l'ausilio di una bacchetta di vetro, e si applica il vuoto alla beuta drenando la soluzione contenente il complesso diamminoargento(I) dall'imbuto.

Si procede lavando l'imbuto con 1.5mL di idrossido di ammonio, dopo di che la soluzione viene trasferita in una vial in cui, sotto forte agitazione magnetica, si addizionano 0.2mL di acido formico. Si osserva che la soluzione assume un colore nero e si forma un precipitato biancastro che rapidamente si dissolve.

La soluzione viene lasciata riposare per circa 12 ore al termine dalle quali si può osservare la formazione di uno specchio d'argento molto sottile sulle pareti della vial e l'accumulo di particolato d'argento sul fondo del recipiente; questo è venuto a formarsi quando l'acido formico è venuto in contatto con la soluzione e i cationi argento non complessati sono stati ridotti per dare argento metallico; secondo la fonte circa il 40% dell'acido formico introdotto nella miscela di reazione viene consumato durante questo processo.

La miscela di reazione viene filtrata facendola passare attraverso carboni attivi o meglio attraverso un filtro per siringa con pori di 200nm (di cui non sono dotato).

Il risultato è una soluzione completamente trasparente dalla viscosità paragonabile a quella dell'acqua.

Per preparare una PCB si può utilizzare una stampante a getto di inchiostro modificata, i modelli sono presenti nella fonte. Per la dimostrazione ho preparato una basetta rimuovendo lo strato di rame con una soluzione al 40% di tricloruro di ferro e tracciando il circuito utilizzando dello scotch opaco.

Si procede riempiendo la traccia con l'inchiostro conduttivo, dopo qualche minuto si può osservare che questo assume un colore marrone scuro e dopo qualche ora diventa completamente nero e la superficie ha proprietà riflettenti molto simili ad uno specchio d'argento.

Trascorso il tempo sufficiente a far asciugare la traccia si procede rimuovendo la guida di nastro adesivo e si pone il supporto su piastra riscaldante ad una temperatura di circa 100°C per la "tempratura" dello strato d'argento.

Questo processo, che dura una decina di minuti, permette di aumentare la coesione tra le particelle d'argento aumentandone notevolmente la conducibilità.

Collegando il tracciato d'argento ai terminali di un multimetro si può osservare che è permesso il passaggio di corrente tra i due capi della traccia e la resistenza misurata è di 5.0Ω, questo risultato è utile solo a confermare il fatto che l'inchiostro permette effettivamente il passaggio di corrente.

Commenti

Prima di utilizzare questa metodologia ho tentato un approccio "one-pot", tuttavia si è rivelato infruttuoso a causa della minore concentrazione della soluzione finale le cui traccie non si presentavano idonee al passaggio di corrente.

Il substrato sul quale l'inchiostro aderisce in modo migliore è il PEVA (polietilen-vinil acetato), io ho utilizzato il substrato di cui sono costituite le normali PCB ovvero fibre di vetro tenute insieme da colle epossidiche, su questo materiale l'inchiostro non aderisce in modo efficace e può essere rimosso con un semplice lavaggio con acqua, consiglio quindi di coprire con un materiale resistente all'acqua le traccie d'argento per aumentarne la longevità.

Fonti

Reactive Silver Inks for Patterning High-Conductivity Features at Mild Temperatures: S. Brett Walker and Jennifer A. Lewis