Инженеры из Университета Райс представили инновационную технологию 3D-печати электроники, которая позволяет наносить проводящие микроструктуры на чрезвычайно деликатные поверхности — в частности, на кости, живые ткани и листья растений. Их устройство Meta-NFS концентрирует микроволновую энергию на участке менее 200 микрометров, что соответствует ширине человеческого волоса, и благодаря этому обеспечивает надточное нагревание только нанесённого материала без ущерба для подложки.
Об этом сообщает ProIT
Принцип работы Meta-NFS: фокусировка микроволн для локальной печати
Meta-NFS (metamaterial-inspired near-field electromagnetic structure) действует подобно микроскопическому увеличительному стеклу для микроволн. Он сочетает резонатор с расщеплённым кольцом, который усиливает электромагнитную энергию, и острый наконечник, который сжимает её в минимальную зону действия. Такой подход позволяет разогревать чернила до температуры свыше 160 °C, не влияя на чувствительные биологические или полимерные основы.
“Способность выборочно нагревать напечатанные материалы позволяет нам пространственно программировать функциональные свойства чернил, даже когда они окружены термочувствительным материалом”, — сказал Йон Лин Кон, руководитель исследования и доцент кафедры машиностроения в Университете Райс.
Традиционные методы спекания, такие как лазерный или печи, нагревали всю область вместе с материалом подложки. Это ограничивало использование на биологических или органических поверхностях, которые не выдерживают даже кратковременного нагрева. Meta-NFS меняет эту парадигму: устройство передаёт до 79,5% энергии непосредственно в печатный слой, используя графен как эффективный поглотитель микроволн.
От умных имплантатов до съедобной электроники
Благодаря точному контролю микроволновой мощности исследователи могут “на лету” изменять кристаллическую структуру и электрические свойства напечатанных наночастиц. Это открывает путь к созданию функциональных схем с различными характеристиками в одном цикле печати. Проводимость серебряных чернил можно регулировать в широких пределах, достигая показателей, близких к чистому серебру.
С помощью Meta-NFS удалось напечатать микросхемы на живом листе, полимерных материалах, силиконe, бумаге и даже непосредственно на кости. На бычьей бедренной кости создали беспроводной датчик деформации, способный отслеживать даже незначительные нагрузки и передавать их без проводов. Также команда напечатала сенсоры на пластике, который используется для имплантатов тазобедренных и коленных суставов. Это позволяет оценивать износ и нагрузки на имплантат в реальном времени, не изменяя его структуру.
Ещё одно преимущество — устойчивость напечатанной электроники к внешним воздействиям: схемы, инкапсулированные в силикон, остаются проводящими даже после пятиминутного погружения в воду, тогда как не защищённые растворяются за несколько секунд.
Авторы исследования уже работают над новым поколением съедобной электроники для персонализированной диагностики, бионическими устройствами, которые могут взаимодействовать с органами, а также гибкими роботами с интегрированными электрическими схемами. Если технология перейдёт из лаборатории в массовое производство, она откроет новые возможности для создания умных имплантатов, диагностических капсул и медицинских роботов, работающих внутри человеческого тела.