Інженери Університету Райс вирішили одну з найстійкіших проблем друкованої електроніки: як закріпити щойно надруковану провідну фарбу, не зруйнувавши при цьому делікатну поверхню під нею.
Їхнє рішення, опубліковане в Science Advances, використовує спеціальний пристрій, який концентрує мікрохвильову енергію в зоні менше 200 мікрометрів (0,008 дюйма) — нагріваючи лише щойно нанесений матеріал до температури понад 160 °C (320 °F), тоді як усе навколо залишається холодним.
Пристрій називається Meta-NFS, що є скороченням від “metamaterial-inspired near-field electromagnetic structure” (електромагнітна структура ближнього поля, натхненна метаматеріалами).
Про пристрій слід думати як про збільшувальне скло для мікрохвиль. Він поєднує резонатор із розщепленим кільцем (крихітна петля, що вловлює та підсилює електромагнітну енергію) із загостреним наконечником, який стискає цю енергію в майже неймовірно малу зону.
“Здатність вибірково нагрівати надруковані матеріали дозволяє нам просторово програмувати функціональні властивості чорнила, навіть коли воно оточене термочутливим матеріалом”, — сказав Йон Лін Кон, який очолював дослідження і є доцентом кафедри машинобудування в Школі інженерних та обчислювальних наук імені Джорджа Р. Брауна Університету Райс.
Щоб зрозуміти, чому це важливо, варто знати, що друкована електроніка застрягла на тому самому вузькому місці вже понад десятиліття. Традиційне спікання — процес з’єднання провідних наночастинок за допомогою тепла, щоб вони могли проводити електрику, — завжди працювало зовні всередину.
Піч або лазер нагрівав усе на своєму шляху, що прийнятно для кераміки чи металевого порошку в контрольованих умовах, але згубно для живого листя або хірургічного імплантату. Лазерне спікання забезпечувало точність, але працювало лише на поверхнях, що поглинають певну довжину хвилі світла, що від самого початку виключало більшість біомедичних матеріалів.
Meta-NFS працює, нагріваючи зсередини самого нанесеного матеріалу. Звичайний мікрохвильовий аплікатор на основі лінії передачі — стандартна конструкція зонду для локального спікання в ближньому полі — передає лише близько 8,5% своєї потужності в цільовий матеріал. Meta-NFS підвищує цей показник до вражаючих 79,5%. Оскільки він використовує графен як посередник, що поглинає до 50% мікрохвильової енергії (порівняно з лише 2,3% при використанні інфрачервоного лазера), поверхня під ним ледь реєструє цю подію.
Регулюючи мікрохвильову потужність у реальному часі, команда також може “на льоту” налаштовувати кристалічну структуру надрукованих наночастинок, програмуючи різні електричні та механічні властивості в одному безперервному циклі друку, не замінюючи матеріали. Електричний опір чорнила із срібних наночастинок можна змінювати більш ніж на три порядки, наближаючись до провідності чистого срібла.
“Це дозволяє нам інтегрувати вільноформну електроніку на широкий спектр підкладок, включаючи біополімери та живу біологічну тканину, і все це — в принтері настільного розміру без необхідності у складних спорудах або трудомістких ручних процесах”, — додає Кон.
Щоб довести це на практиці, дослідники надрукували провідні мікроструктури на живому листі рослини, пластику, силіконі, папері і, що найбільш вражає, безпосередньо на кістці бичачої стегнової кістки. На кістці вони надрукували бездротовий датчик деформації, здатний виявляти дуже малі деформації та бездротово передавати дані.
Найбільш безпосереднє медичне застосування — розумні імплантати. Команда вже надрукувала бездротові датчики на надвисокомолекулярному поліетилені — міцному пластику, що використовується в більшості штучних тазостегнових і колінних суглобів, — які могли б відстежувати знос і механічне навантаження в реальному часі, не змінюючи структуру імплантату і не вимагаючи додаткової операції.
Схема, інкапсульована в силіконі та виготовлена за цим методом, зберігала провідність протягом більше 300 секунд (5 хвилин) під водою, тоді як незахищена розчинялася приблизно за 2,5 секунди.
“3D-друк Meta-NFS дозволяє нам розробляти нові класи гібридних електронних пристроїв, які неможливо було побудувати — або навіть уявити — за допомогою попередніх підходів до виробництва, надаючи нам нові можливості для вирішення незадоволених суспільних потреб”, — підсумував Кон.
Група Кона вже рухається далі. Вони зараз працюють над їстівними електронними системами для персоналізованої діагностики, біонічними пристроями, що безпосередньо взаємодіють з органами, і роботами нового покоління з глибоко інтегрованою електронікою.
Якщо технологія вийде за межі лабораторії, наслідки важко переоцінити. Розумні імплантати зможуть самостійно повідомляти лікаря про знос чи зміщення — без повторних операцій. Їстівна електроніка відкриє еру діагностики зсередини тіла: проковтнув капсулу, вона передала дані і розчинилась. Біонічні протези з вбудованими сенсорами стануть точнішими і дешевшими у виробництві. А м’які роботи з інтегрованою електронікою зможуть працювати всередині людського тіла — там, куди жоден жорсткий механізм не дістанеться.
Надрукуй обід: 3D-принтер виготовив 3 страви з 14 інгредієнтів
Джерело: New Atlas
Повідомити про помилку
Текст, який буде надіслано нашим редакторам: