Їстівна електроніка? Чому б і ні: науковці освоїли 3D-друк мікрохвиль на кістках і рослинному листі.

Пристрій Meta-NFS фокусується на мікрохвильовій енергії в області менше 200 мікрометрів — приблизно такої ж ширини, як людське волосся — що дозволяє створювати електроніку на кістках, тканинах і живих рослинах. Rice University / YouTube

Інженери Університету Райс вирішили одну з найскладніших задач у сфері друкованої електроніки: як закріпити щойно надруковану провідну фарбу, не пошкоджуючи при цьому чутливу поверхню під нею.

Їхнє рішення, опубліковане в Science Advances, передбачає використання спеціального пристрою, 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 все навколо залишається холодним.

Цей пристрій називається Meta-NFS, що є скороченням від “metamaterial-inspired near-field electromagnetic structure” (електромагнітна структура ближнього поля, натхнена метаматеріалами).

Мікроекструзійне сопло наносить провідне чорнило, поки поруч розташований зонд Meta-NFS одночасно фокусується на щойно надрукованому матеріалі, зплавляючи його наночастинки в робочу схему в реальному часі. Rice University / New Atlas

Цей пристрій можна розглядати як 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 надзвичайно малу зону.

“Можливість вибіркового нагрівання надрукованих матеріалів дозволяє нам просторово програмувати функціональні властивості чорнила, навіть коли воно оточене термочутливим матеріалом”, — зазначив 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 важливість цього досягнення, варто зазначити, що друкована електроніка вже понад десятиліття стикається з тією ж проблемою. Традиційне спікання — процес з’єднання провідних наночастинок за допомогою тепла, щоб вони могли проводити електрику, завжди відбувалося зовні всередину.

Meta-NFS створює вільноформні мікроструктури, електронні та механічні властивості яких можна локально програмувати, і є сумісним із різноманітними підкладками та наноматеріалами / Science.org

Піч або лазер нагріває все на своєму шляху, що підходить для кераміки чи металевого порошку в контрольованих умовах, але є згубним для живого листя або хірургічного імплантату. Лазерне спікання забезпечувало точність, але працювало лише на поверхнях, що поглинають певну довжину хвилі світла, що з самого початку виключало більшість біомедичних матеріалів.

3D-архітектури, надруковані за допомогою пошарового нанесення з використанням Meta-NFS. Rice University / New Atlas

Meta-NFS функціонує, 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 відчуває цю подію.

Професор Йон Лін Кон (перший ряд) зі співавторами Сінь Яном, Цзянь Тенгом та Ю Лю (задній ряд, зліва направо) / Rice.edu

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 змінюючи 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 продемонструвати 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.

Фотографії, що демонструють друк окремостоячої срібної мікроархітектури з діаметром траси 30 мкм на (A) листі рослини, що підтверджує здатність друкувати на термочутливій підкладці, та (B) на силіконі, що демонструє можливість досягнення високоточних деталей / Rice.edu

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.

Конструкція та симуляція Meta-NFS / Science.org

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.

СпецпроєктиBROCARD: як б’юті-ритейлер розвиває мобільний продукт — огляд застосунку та Великодньої г