Положено начало для создания рукописной многослойной электроники, способной к растяжению и деформации.
Изобретение печатного станка произвело революцию в области тиражирования письменных текстов, дав передышку уставшим переписчикам и сделав письменные материалы более доступными. Аналогичный прорыв произошел и в инженерной школе Маккелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе.
Исследователи, работающие под руководством Чуана Ванга (Chuan Wang), доцента кафедры электротехники и системной инженерии, разработали чернильные ручки, позволяющие писать от руки гибкими, растягивающимися оптоэлектронными устройствами на повседневных материалах, включая бумагу, текстиль, резину, пластик и 3D-объекты. Гибкие оптоэлектронные устройства для излучения и обнаружения света, которые уже используются в таких повседневных предметах, как смартфоны и фитнес-трекеры, могут сгибаться, складываться и разгибаться, сохраняя при этом свою функциональность.
В статье, опубликованной в журнале Nature Photonics, команда специалистов сообщает о простом и универсальном подходе к изготовлению, позволяющем любому человеку изготовить индивидуальный светодиод или фотодетектор без необходимости в специальной подготовке или громоздком оборудовании. Новая портативная технология производства основана на результатах предыдущей работы Ванга и первого автора Джуньи Чжао (Junyi Zhao), докторанта из лаборатории Ванга, в которой они продемонстрировали новый способ изготовления растягивающихся светодиодов с помощью простого струйного принтера.
"Создание собственных устройств было очевидным следующим шагом после принтера", - говорит Ванг. "У нас уже были чернила, поэтому естественным переходом было взять уже разработанную нами технологию и модифицировать ее для работы в обычных шариковых ручках, где она могла бы быть дешевой и доступной для всех".
Экологически чистый, инновационный подход к созданию чернил позволяет людям за считанные минуты создавать многоцветные светодиоды и фотоприемники. Технология использует простоту шариковой ручки, заполненной специально разработанными чернилами из проводящих полимеров, металлических нанопроволок и кристаллических материалов, называемых перовскитами, для генерации широкого спектра цветов излучения.
Нанося слой за слоем эти функциональные чернила, подобно использованию разноцветных ручек, можно дешево, легко и быстро создавать различные функциональные устройства, включая одноразовую электронику, например, "умную" упаковку, и персонализированные носимые устройства, например, биомедицинские датчики.
Хотя команда уже разработала чернила для печати, их применение в стандартных шариковых ручках, пригодных для письма на повседневных материалах, потребовало некоторых доработок для контроля смачиваемости и улучшения пишущих свойств. Самое главное, Чжао должен был убедиться, что чернила можно наносить на пористые и волокнистые подложки, включая бумагу и текстиль, без потеков и смешивания. Кроме того, чтобы избежать эстетического разочарования от размазанного рисунка, слои должны оставаться дискретными для обеспечения функциональности и высокой производительности оптоэлектронных устройств.
"Переход от принтера к шариковой ручке может показаться простым, но на самом деле это несколько сложнее, чем просто загрузка чернил", - говорит Чжао.
Наши чернила специально разработаны, поэтому ручки универсальны, то есть они могут работать практически на всех поверхностях". Каждый отдельный слой устройства обладает внутренней упругостью, поэтому он выдерживает деформацию и может быть согнут, растянут или скручен без ущерба для работы устройства. Например, светодиоды, нарисованные на перчатке, могут выдерживать деформации от многократного сжатия и разжимания кулака, а светодиоды, нарисованные на резиновом шарике, могут выдерживать циклы надувания-сдувания снова и снова".
Создание чернильных ручек, работающих на любых подложках, от бумаги до воздушных шаров, позволяет преодолеть критические ограничения традиционного производства светодиодов, в частности, требования к плоским и гладким подложкам и дорогостоящему оборудованию для производства в чистых помещениях, и открывает возможности для беспрецедентного проникновения носимой электроники нового поколения в повседневную жизнь.
Ванг предполагает, что будущие области применения рукописной электроники ограничены только воображением пользователя. Ближайшие области применения - от образовательных целей и популяризации науки до электронной упаковки и одежды, медицинских датчиков и повязок.
Дешевые, настраиваемые светодиоды открывают возможности для практического обучения, создания более ярких текстильных изделий, таких как светящаяся одежда или поздравительные открытки, и "умной" упаковки", - сказал Ванг. "Одна из областей, которая вызывает у нас настоящий восторг, - это медицинские приложения. Ручные световые излучатели и детекторы позволяют более гибко подходить к созданию носимых биомедицинских датчиков и повязок, на которые могут быть нанесены фотодетекторы и инфракрасные светодиоды для измерения пульсоксиметрии или ускорения заживления ран".
По словам исследователей, доступность и гибкость этого метода может демократизировать производство электроники, обеспечивая возможность создания индивидуальных растягивающихся электронных устройств, которые станут частью повседневной жизни.