Інженери з Університету Райс представили інноваційну технологію 3D-друку електроніки, яка дозволяє наносити провідні мікроструктури на надзвичайно делікатні поверхні — зокрема, на кістки, живі тканини та листя рослин. Їхній пристрій Meta-NFS концентрує мікрохвильову енергію на ділянці менш ніж 200 мікрометрів, що відповідає ширині людської волосини, і завдяки цьому забезпечує надточне нагрівання лише нанесеного матеріалу без шкоди для підкладки.
Про це розповідає ProIT
Принцип роботи Meta-NFS: фокусування мікрохвиль для локального друку
Meta-NFS (metamaterial-inspired near-field electromagnetic structure) діє подібно до мікроскопічного збільшувального скла для мікрохвиль. Він поєднує резонатор із розщепленим кільцем, який підсилює електромагнітну енергію, та гострий наконечник, що стискає її в мінімальну зону дії. Такий підхід дозволяє розігрівати чорнило до температури понад 160 °C, не впливаючи на чутливі біологічні чи полімерні основи.
“Здатність вибірково нагрівати надруковані матеріали дозволяє нам просторово програмувати функціональні властивості чорнила, навіть коли воно оточене термочутливим матеріалом”, — сказав Йон Лін Кон, керівник дослідження і доцент кафедри машинобудування в Університеті Райс.
Традиційні методи спікання, як-от лазерний чи печі, нагрівали всю область разом із матеріалом підкладки. Це обмежувало використання на біологічних або органічних поверхнях, які не витримують навіть нетривалого нагріву. Meta-NFS змінює цю парадигму: пристрій передає до 79,5% енергії безпосередньо в друкований шар, використовуючи графен як ефективний поглинач мікрохвиль.
Від розумних імплантатів до їстівної електроніки
Завдяки точному контролю мікрохвильової потужності дослідники можуть “на льоту” змінювати кристалічну структуру та електричні властивості надрукованих наночастинок. Це відкриває шлях до створення функціональних схем із різними характеристиками в одному циклі друку. Провідність срібних чорнил можна регулювати в широких межах, досягаючи показників, близьких до чистого срібла.
За допомогою Meta-NFS вдалося надрукувати мікросхеми на живому листі, полімерних матеріалах, силіконі, папері та навіть безпосередньо на кістці. На бичачій стегновій кістці створили бездротовий датчик деформації, здатний відстежувати навіть незначні навантаження і передавати їх без дротів. Також команда надрукувала сенсори на пластику, який використовується для імплантатів тазостегнових і колінних суглобів. Це дозволяє оцінювати знос і навантаження на імплантат у реальному часі, не змінюючи його структуру.
Ще одна перевага — стійкість надрукованої електроніки до зовнішніх впливів: схеми, інкапсульовані в силіконі, залишаються провідними навіть після п’ятихвилинного занурення у воду, тоді як не захищені розчиняються за кілька секунд.
Автори дослідження вже працюють над новим поколінням їстівної електроніки для персоналізованої діагностики, біонічними пристроями, що можуть взаємодіяти з органами, а також гнучкими роботами з інтегрованими електросхемами. Якщо технологія перейде з лабораторії у масове виробництво, вона відкриє нові можливості для створення розумних імплантатів, діагностичних капсул і медичних роботів, що працюють усередині людського тіла.