Способность интегрировать функциональные материалы и пространственно программировать их свойства определяет как производительность устройств, так и границы возможного. Существующие производственные подходы в корне ограничены в обоих аспектах. Например, электронные компоненты производятся на крупных полупроводниковых фабриках, зачастую отдельно от конечного устройства. Для их интеграции требуется сложная и трудоемкая сборка, которая ограничивает как форму, так и функциональность конечного продукта.
В статье в Science Advances группа ученых из Университета Райса описывает новый процесс 3D-печати сфокусированными микроволновыми лучами, который позволяет преодолеть фундаментальное ограничение 3D-печати электроники, сдерживавшее развитие этой области более десяти лет: невозможность нагревать печатные чернила — важнейший этап обработки — без повреждения материалов под ними.
Мультиматериальная 3D-печать в принципе должна позволять создавать конструкции произвольной формы, в которых электронные и механические свойства программируются непосредственно в структуре. Однако термическая обработка, необходимая для придания функциональности напечатанным электронным чернилам, разрушает сами материалы, из которых состоят эти устройства.
Исследователи продемонстрировали, что, концентрируя микроволновую энергию в ограниченной зоне нагрева размером с человеческий волос, можно выборочно нагревать электронные чернила в процессе 3D-печати, сохраняя при этом относительно низкую температуру окружающего материала и тем самым снижая вероятность его повреждения.
«Возможность выборочно нагревать печатные материалы позволяет нам пространственно программировать функциональные свойства чернил, даже если они находятся в окружении материалов, чувствительных к температуре, — говорит Конг, доцент кафедры машиностроения в Школе инженерии и вычислительной техники имени Джорджа Р. Брауна при Университете Райса. — Это позволяет нам интегрировать электронику произвольной формы в широкий спектр материалов, включая биополимеры и живые биологические ткани, и все это в принтере размером с настольный компьютер, без использования сложного оборудования или трудоемких ручных процессов».
Ученые разработали устройство, которое они назвали «Meta-NFS» — сокращение от «электромагнитная структура ближнего поля на основе метаматериалов». Это устройство концентрирует микроволновую энергию в ближней зоне, обеспечивая достаточно высокую плотность энергии, необходимую для постобработки печатных красок.
В сочетании с технологией 3D-печати методом микроэкструзии возможность контролировать нагрев с помощью сфокусированных микроволн открывает перспективы, недоступные при использовании предыдущих подходов к производству электроники: непрерывное пространственное программирование функциональных свойств даже в рамках одного процесса печати. Например, регулируя параметры микроволнового излучения, исследователи могут точно контролировать степень нагрева, чтобы управлять микроструктурой печатаемых частиц. Это позволяет создавать многофункциональные схемы с разницей в механических и электронных свойствах на несколько порядков в рамках одного процесса печати без необходимости замены материала.
Они также продемонстрировали, что этот подход применим к широкому спектру функциональных материалов — от металлов и керамики до термореактивных полимеров. Таким образом, микроволновая печать ближнего поля позволяет обрабатывать и программировать различные классы материалов на месте. Кроме того, избирательность микроволн позволяет энергии проникать глубоко в материал и нагревать его даже в полностью герметичной оболочке.
Благодаря этим уникальным свойствам можно без труда создавать устройства из различных материалов в рамках непрерывного производственного процесса на платформе размером с настольный компьютер. Это разительно отличается от традиционных подходов, требующих сложного оборудования, трудоемкой обработки и ручной сборки.
Функциональную электронику можно печатать непосредственно на термочувствительных биополимерах и биологических конструкциях, что раньше было непростой задачей. В качестве экспериментального подтверждения исследователи напечатали беспроводные тензодатчики на сверхвысокомолекулярном полиэтилене — биополимере, который обычно используется для изготовления эндопротезов суставов. Таким образом были созданы имплантаты с электронной начинкой, которые потенциально могут отслеживать нагрузку или износ, не изменяя свою структуру. Кроме того, исследователи напечатали беспроводные датчики непосредственно на бедренной кости крупного рогатого скота и живом листе, открыв новые возможности для изучения биологических процессов и управления ими.