Інженери з Університету Райса зробили значний прорив у галузі друкованої електроніки, подолавши ключову перешкоду: як забезпечити надійне закріплення провідних чорнил після друку, не пошкодивши при цьому делікатну поверхню основи.
Їхнє інноваційне рішення, представлене в науковому виданні Science Advances, ґрунтується на використанні спеціалізованого пристрою, здатного концентрувати мікрохвильову енергію в надзвичайно малій зоні – діаметром менше 200 мікрометрів. Це дозволяє локально нагрівати новостворений шар до температури понад 160 °C, залишаючи навколишні ділянки майже непорушно холодними.
Розробка отримала назву Meta-NFS (скорочення від “metamaterial-inspired near-field electromagnetic structure”, що означає “електромагнітна структура ближнього поля, заснована на метаматеріалах”).
Технологічний прорив: як працює Meta-NFS
За своєю суттю, пристрій Meta-NFS функціонує подібно до оптичного збільшувального скла, але для мікрохвиль. Він поєднує резонатор зі щілинним кільцем (мініатюрну петлю, що ефективно захоплює та посилює електромагнітну енергію) з загостреним наконечником, який фокусує цю енергію в надзвичайно обмежену область.
“Можливість вибірково нагрівати надруковані матеріали відкриває шлях до просторового програмування функціональних властивостей чорнила, навіть коли воно розташоване на термочутливій основі”, — коментує Йон Лін Кон, провідний дослідник та доцент кафедри машинобудування Школи інженерних та обчислювальних наук імені Джорджа Р. Брауна Університету Райс.
Вирішення давньої проблеми друкованої електроніки
Щоб оцінити значущість цієї розробки, слід розуміти, що друкована електроніка стикалася з подібною проблемою протягом останнього десятиліття. Традиційний процес спікання — термічне з’єднання провідних наночастинок для забезпечення електропровідності — завжди відбувався від зовнішніх шарів до внутрішніх.
Використання печей або лазерів для нагрівання призводило до значного температурного впливу на всю ділянку, що було прийнятним для кераміки чи металевих порошків у контрольованих умовах. Однак, такий підхід є руйнівним для живих тканин, як-от листя рослин, або для біомедичних імплантатів. Хоча лазерне спікання забезпечувало точність, воно ефективно працювало лише з поверхнями, що поглинають певні довжини хвиль світла, що обмежувало застосування для багатьох біоматеріалів.
Висока ефективність та гнучкість
Принцип роботи Meta-NFS полягає в індукційному нагріванні безпосередньо друкованого матеріалу. Традиційні мікрохвильові аплікатори, що базуються на лінії передачі, передають лише близько 8,5% своєї потужності до цільового матеріалу. Натомість Meta-NFS демонструє вражаючу ефективність, доводячи цей показник до 79,5%. Використання графену як поглинаючого агента (він може поглинати до 50% мікрохвильової енергії, на відміну від 2,3% у випадку інфрачервоного лазера) мінімізує нагрівання поверхні основи.
Завдяки можливості регулювати мікрохвильову потужність у реальному часі, команда розробників може гнучко налаштовувати кристалічну структуру наночастинок безпосередньо під час друку. Це дозволяє програмувати різні електричні та механічні характеристики в межах одного безперервного процесу, усуваючи потребу у зміні матеріалів. Електричний опір чорнила зі срібних наночастинок можна варіювати більш ніж на три порядки, наближаючись до показників чистого срібла.
“Це відкриває можливість інтеграції електроніки довільної форми на широкий спектр основ, включаючи біополімери та живу біологічну тканину, використовуючи при цьому настільний принтер без потреби у складних установках чи трудомістких ручних операціях”, — додає Кон.
Демонстрація практичного застосування
Щоб продемонструвати потенціал технології, дослідники успішно надрукували провідні мікроструктури на живому листі рослин, пластику, силіконі, папері та, що особливо вражає, безпосередньо на бичачій стегновій кістці. На поверхні кістки було створено бездротовий датчик деформації, здатний виявляти мікроскопічні зсуви та передавати отримані дані бездротовим шляхом.
Думка ЧАС НОВИН: Ця технологія може кардинально змінити підходи до біомедичної інженерії та створення гнучких електронних пристроїв, виводячи їх на новий рівень взаємодії з живими організмами. Майбутнє, де електроніка інтегрується безпосередньо в тканини, стає значно ближчим завдяки інноваціям розробників.
Подробиці можна знайти на сайті: itc.ua