Їстівна електроніка? Чому б ні: вчені навчили 3D-принтер друкувати на кістках та листі рослин

Инженеры Университета Райс решили одну из самых стойких проблем печатной электроники: как закрепить только что напечатанную ведущую краску, не разрушив при этом деликатную поверхность под ней.

Их решение, опубликованное в Science Advances, использует специальное устройство, которое концентрирует микроволновую энергию в зоне менее 200 микрометров (0,008 дюйма) — нагревая только только что нанесенный материал до температуры свыше 160 °C (320 °F), тогда как все вокруг остается холодным.

Устройство называется Meta-NFS, что является сокращением от «metamaterial-inspired near-field electromagnetic structure» (электромагнитная структура ближнего поля, вдохновленная метаматериалами).

Об устройстве следует думать как об увеличительном стекле для микроволн. Он сочетает резонатор с расщепленным кольцом (крошечная петля, улавливающий и усиливающий электромагнитную энергию) с заостренным наконечником, который сжимает эту энергию в почти невероятно малую зону.

«Способность избирательно нагревать напечатанные материалы позволяет нам пространственно программировать функциональные свойства чернил, даже когда оно окружено термочувствительным материалом», — сказал Йон Лин Кон, который возглавлял исследование и является доцентом кафедры машиностроения в Школе инженерных и вычислительных наук имени Джорджа Р. Брауна Университета Райс.

Чтобы понять, почему это важно, стоит знать, что печатная электроника застряла на в том самом узком месте уже более десятилетия. Традиционное спекание — процесс соединения проводящих наночастиц с помощью тепла, чтобы они могли проводить электричество, — всегда работало снаружи внутрь.

Печь или лазер нагревал все на своем пути, что приемлемо для керамики или металлического порошка в контролируемых условиях, но губительно для живых листьев или хирургического имплантата. Лазерное спекание обеспечивало точность, но работало только на поверхностях, поглощающих определенную длину волны света, что изначально исключало большинство биомедицинских материалов.

Meta-NFS работает, нагревая изнутри самого нанесенного материала. Обычный микроволновый аппликатор на основе линии передачи — стандартная конструкция зонда для локального спекания в ближнем поле — передает только около 8,5% своей мощности в целевой материал. Meta-NFS повышает этот показатель до впечатляющих 79,5%. Поскольку он использует графен в качестве посредника, поглощающего до 50% микроволновой энергии (по сравнению с лишь 2,3% при использовании инфракрасного лазера), поверхность под ним едва регистрирует это событие.

Регулируя микроволновую мощность в реальном времени, команда также может «на лету» настраивать кристаллическую структуру напечатанных наночастиц, программируя различные электрические и механические свойства в одном непрерывном цикле печати, не заменяя материалы. Электрическое сопротивление чернил из серебряных наночастиц можно изменять более чем на три порядка, приближаясь к проводимости чистого серебра.

«Это позволяет нам интегрировать свободноформную электронику на широкий спектр подложек, включая биополимеры и живую биологическую ткань, и все это — в принтере настольного размера без необходимости в сложных сооружениях или трудоемких ручных процессах», — добавляет Кон.

Чтобы доказать это на практике, исследователи напечатали проводящие микроструктуры на живых листьях растения, пластике, силиконе, бумаге и, что наиболее впечатляет, непосредственно на кости бычьей бедренной кости. На кости они напечатали беспроводной датчик деформации, способный обнаруживать очень малые деформации и беспроводно передавать данные.

Наиболее непосредственное медицинское применение — умные имплантаты. Команда уже напечатала беспроводные датчики на сверхвысокомолекулярном полиэтилене — прочном пластике, используемом в большинстве искусственных тазобедренных и коленных суставов, — которые могли бы отслеживать износ и механическую нагрузку в реальном времени, не изменяя структуру имплантата и не требуя дополнительной операции.

Схема, инкапсулированная в силиконе и изготовлена по этому методу, сохраняла проводимость в течение более 300 секунд (5 минут) под водой, тогда как незащищенная растворялась примерно за 2,5 секунды.

«3D-печать Meta-NFS позволяет нам разрабатывать новые классы гибридных электронных устройств, которые невозможно было построить — или даже представить — с помощью предыдущих подходов к производству, предоставляя нам новые возможности для решения неудовлетворенных общественных потребностей», — подытожил Кон.

Группа Кона уже движется дальше. Они сейчас работают над съедобными электронными системами для персонализированной диагностики, бионическими устройствами, непосредственно взаимодействующими с органами, и роботами нового поколения с глубоко интегрированной электроникой.

Если технология выйдет за пределы лаборатории, последствия трудно переоценить. Умные имплантаты смогут самостоятельно сообщать врачу об износе или смещении — без повторных операций. Съедобная электроника откроет эру диагностики изнутри тела: проглотил капсулу, она передала данные и растворилась. Бионические протезы со встроенными сенсорами станут точнее и дешевле в производстве. А мягкие роботы с интегрированной электроникой смогут работать внутри человеческого тела — там, куда ни один жесткий механизм не доберется.