Οι προσαρμόσιμες ηλεκτρονικές συσκευές που μπορούν να φορεθούν ανοίγουν τις πόρτες για μπλούζες που ελέγχουν την καρδιά και τα βραχιόλια που ανιχνεύουν την κατάσταση της υγείας σας. Εν τούτοις, η τοποθέτηση των απαραίτητων συρμάτων σε μια περίπλοκη τρισδιάστατη αρχιτεκτονική δομή είναι δύσκολο να γίνει με χαμηλό κόστος. Οι υπάρχουσες προσεγγίσεις περιορίζονται από τις απαιτήσεις των υλικών και, στην περίπτωση της τρισδιάστατης εγγραφής, χαμηλές ταχύτητες εκτύπωσης. Πρόσφατα, μια ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ δημιούργησε μια νέα μέθοδο για γρήγορη, τρισδιάστατη εκτύπωση διαφορετικών, υψηλά αγώγιμων και όλκιμων μεταλλικών συρμάτων.
Η νέα μέθοδος συνδυάζει την τρισδιάστατη εκτύπωση με τις εστιασμένες υπέρυθρες ακτίνες λέιζερ που προκαλούν γρήγορα ανόπτηση (θερμική κατεργασία) των εκτυπωμένων σωματιδίων ώστε να διαμορφωθούν στην επιθυμητή αρχιτεκτονική δομή. Το αποτέλεσμα είναι ένα σύρμα με ηλεκτρική αγωγιμότητα που πλησιάζει εκείνη του αργύρου.
Τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα αγώγιμα σύρματα
Η νέα προσέγγιση τρισδιάστατης εκτύπωσης ξεκινά όπως ένας κοινός εκτυπωτής μελανιού: συμπυκνωμένα μελάνια από νανοσωματίδια αργύρου εκτυπώνονται μέσα από ένα γυάλινο στόμιο. Έπειτα, το μελάνι ανοπτάται γρήγορα από μια εστιασμένη υπέρυθρη ακτίνα που σέρνεται σε ρεύμα εκτύπωσης 100 μικρομέτρων. Αυτή η διαδικασία ανόπτησης με λέιζερ αυξάνει την πυκνότητα των νανοσωματιδίων, μεταμορφώνοντάς τα σε ένα λαμπερό ασημένιο σύρμα. Οι ερευνητές επέδειξαν την ικανότητά του να εκτυπώνει μια σειρά ασημένιων συρμάτων με διαμέτρους που ποικίλλουν από υπομικρόμετρα μέχρι και τα 20 μικρόμετρα μέσα από τη μεταβολή μερικών βασικών εκτυπωτικών παραμέτρων.
Κατάφεραν επίσης να εκτυπώσουν και καμπυλωτά χαρακτηριστικά. Η εκτύπωση καμπυλωτών χαρακτηριστικών αποτελεί πρόκληση για πολλά συστήματα τρισδιάστατης εκτύπωσης, επειδή το υλικό που έχει μόλις εκτυπωθεί πρέπει να μπορεί να διατηρήσει το σχήμα του χωρίς να έχει άμεσα από κάτω του κάποιο είδος υποστήριξης. Η ομάδα ξεπέρασε αυτό το πρόβλημα με τη χρήση ενός περιστροφικού σταδίου που επέτρεπε στην κατασκευή να περιστραφεί σε σχέση με τον άξονα λέιζερ-ψεκαστήρα κατά την εκτύπωση. Κατά συνέπεια, το καμπυλωτό σύρμα μπορούσε να σχεδιάζεται σε κατεύθυνση παράλληλη ως προς τον άξονα λέιζερ-ψεκαστήρα.
Κατέστη, επίσης, δυνατόν να δημιουργηθούν και αιχμηρά χαρακτηριστικά. Η εκτύπωση αιχμηρών χαρακτηριστικών απαιτεί την τοποθέτηση του λέιζερ ανόπτησης όσο το δυνατόν πιο κοντά στον ψεκαστήρα του εκτυπωτή χωρίς να εμπλέκεται με το μελάνι αργύρου που διαγραμμίζει τον ψεκαστήρα. Η ομάδα εξισορρόπησε αυτούς τους ανταγωνιστικούς μεταξύ τους παράγοντες χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις στον υπολογιστή.
Η δύναμη αυτής της μεθόδου προέρχεται από την ταυτόχρονη διαμόρφωση και σταθεροποίηση. Αυτή η διπλή διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία εκτυπωμένων υλικών με καλές μηχανικές ιδιότητες.
Το στάδιο της ανόπτησης
Και αυτό συνέβη πριν η ομάδα προβεί σε βελτιστοποίηση της διαδικασίας ανόπτησης. Η ανόπτηση αυξάνει την πυκνότητα των νανοσωματιδίων αργύρου, σημαντική για τις τελικές υλικές ιδιότητές τους. Με τη χρήση των προσομοιώσεων, οι επιστήμονες βρήκαν ότι η θερμότητα ενός παλμού λέιζερ διάρκειας ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου θα διασκόρπιζε περίπου 40 μικρόμετρα, διπλάσιο πλάτος από εκείνο που έχουν τα πυκνότερα σύρματα. Επίσης διαπίστωσαν ότι η θέρμανση του σύρματος με παλμούς διάρκειας ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου στα 100 Hz καταλήγει στη δημιουργία ενός αργυρού σύρματος με ενιαία νανοδομή και μικροδομή.
Η ομάδα επίσης βρήκε ότι η αντίσταση του αργυρού σύρματος μπορούσε να ποικίλλει κατά 3 μονάδες μεγέθους βάσει των συνθηκών του λέιζερ. Η μεταβολή της τοπικής έντασης του λέιζερ κατά την εκτύπωση του μελανιού αργύρου τους επέτρεψε να δημιουργήσουν μοτίβα συρμάτων χαμηλής και υψηλής αντίστασης. Σε δοκιμές, η ομάδα εκτύπωσε μια σειρά τμημάτων αργύρου 500 μικρομέτρων με διαβαθμιζόμενη ειδική αντίσταση που αντιστοιχεί σε ένα αγώγιμο αργυρό σύρμα.
Επιπλέον, το στάδιο της ανόπτησης από το λέιζερ επέτρεψε στους επιστήμονες να εκτυπώσουν αγώγιμα αργυρά σύρματα σε ευέλικτα και φθηνά υποστρώματα πολυμερών, όπως το τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο. Εκτύπωσαν αργυρά σύρματα σε κλίμακα χαμηλότερη του μικρομέτρου σε ταινίες τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου που επέδειξαν εξαιρετική οπτική διαφάνεια. Επιπλέον, δοκιμές λυγίσματός τους σε κύκλους έγιναν σε υποστρώματα 20 μικρομέτρων που εκτυπώθηκαν με σύρματα αργύρου. Σε έναν έλεγχο 1.000 κύκλων βρήκαν ότι οι αλλαγές στην αντίσταση ανά διαφορά κύκλου ήταν ελάχιστη. Οι δομές που περιείχαν καμπυλωτές γραμμές εκτυπωμένες πάνω σε υποστρώματα τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου μπόρεσαν επίσης να αντέξουν το λύγισμά τους σε κύκλο.
Η εκτυπωτική ευελιξία
Για να δοκιμάσουν κάποιες πιθανές συσκευές, οι επιστήμονες σχεδίασαν σειρές αγώγιμων ελατηρίων που μοιάζουν με ηλεκτρικά πηνία. Δοκίμασαν με μηχανικό τρόπο τα εκτυπωμένα ελικοειδή ελατήρια, τα οποία, τεντωμένα και συμπιεσμένα, επέδειξαν ελαστική και πλαστική συμπεριφορά. Η ομάδα έπειτα εκτύπωσε τρισδιάστατες σπειροειδείς σειρές παρόμοιες με έναν τύπο σπειροειδούς κεραίας που χρησιμοποιείται σε κάποιες ηλεκτρονικές συσκευές. Χρησιμοποιώντας το στάδιο της ανόπτησης, μπόρεσαν να σχεδιάσουν αυτά τα χαρακτηριστικά χωρίς τη χρήση μιας υποβόσκουσας υποστηρικτικής επιφάνειας.
Για να περάσουν την ώρα τους, εκτύπωσαν επίσης τυχαία σχέδια όπως μια πεταλούδα από σύρμα.
Αυτή η καινοτόμος προσέγγιση στην τρισδιάστατη εκτύπωση επιτρέπει τον σχεδιασμό, όποτε απαιτείται, υψηλής ανάλυσης, λειτουργικών μεταλλικών ηλεκτροδίων με περίπλοκες δομές. Έχει τη δυνατότητα να ανοίξει νέους δρόμους για τα προσαρμοσμένα ηλεκτρονικά, ειδικά για ευέλικτες ηλεκτρονικές συσκευές που μπορούν να φορεθούν και άλλα ηλεκτρονικά ευρείας κατανάλωσης. Ένας από τους συγγραφείς είναι συνιδρυτής της εταιρείας Voxel8 Inc., για την οποία μπορούμε να υποθέσουμε ότι παρέχει την άδεια για αυτήν την τεχνολογία.
