Исследователи из Университета Райса разработали технологию 3D-печати, в которой сфокусированные микроволны нагревают электронные чернила во время печати, не повреждая окружающие материалы. Это решение проблемы, которая не давала двигаться вперед в этой области более десяти лет. Работа, опубликованная 13 апреля в Science Advances, может привести к появлению нового класса гибридных электронных устройств, которые раньше было невозможно создать.
Основным препятствием всегда была термическая обработка. Для печати функциональной электроники требуется нагревать чернила, чтобы активировать их, но при этом разрушаются чувствительные к температуре материалы, находящиеся под ними. Йонг Лин Конг, доцент кафедры машиностроения в Школе инженерии и компьютерных наук имени Джорджа Р. Брауна при Университете Райса, и его давний коллега Джон Хо, доцент Национального университета Сингапура и эксперт в области микроволновой техники, разработали решение, которое они назвали Meta-NFS, что расшифровывается как «электромагнитная структура ближнего поля на основе метаматериалов». Он концентрирует микроволновую энергию в зоне нагрева размером всего 150 микрометров — примерно с человеческий волос.
«Возможность выборочного нагрева напечатанных материалов позволяет нам пространственно программировать функциональные свойства чернил даже в окружении материалов, чувствительных к температуре, — говорит Конг. — Это позволяет нам интегрировать электронику произвольной формы в широкий спектр материалов, включая биополимеры и живые биологические ткани, и делать это с помощью настольного принтера, не прибегая к сложным технологиям или трудоемким ручным процессам».
Инженеры из Университета Райса научились печатать электронику на 3D-принтере с помощью сфокусированных микроволновых лучей, преодолев десятилетний барьер в развитии технологии
Регулируя параметры микроволнового излучения в процессе печати, команда может точно контролировать микроструктуру напечатанных частиц, чтобы создавать многофункциональные схемы с разницей в механических и электронных свойствах на несколько порядков — и все это в рамках одного процесса печати и без замены материалов. Этот подход применим к металлам, керамике и термореактивным полимерам, а микроволны могут проникать достаточно глубоко, чтобы нагревать полностью герметизированные материалы.
В ходе экспериментальной проверки концепции команда исследователей вышла на биологическую территорию. Они напечатали беспроводные тензодатчики на сверхвысокомолекулярном полиэтилене — биополимере, используемом для протезирования суставов, — создав имплантаты, которые могут отслеживать нагрузку и износ. Они также напечатали беспроводные датчики непосредственно на бедренной кости крупного рогатого скота и на живом листе.
Сейчас группа Конга использует Meta-NFS в качестве основы для электронных систем, которые можно проглотить, для персонализированной диагностики, бионических устройств, взаимодействующих с биологическими органами, а также мягких роботов и дронов, напечатанных на 3D-принтере, со встроенной электроникой. Исследование финансировалось Управлением военно-морских исследований и Национальными институтами здравоохранения.
>>>АРХИТЕКТУРНЫЕ МАКЕТЫ. УЛИЧНЫЕ МАКЕТЫ ЗДАНИЙ<<<
