По мере роста спроса на электронные устройства растет и потребность в более экологичных способах их производства.
От сенсорных экранов смартфонов до носимых устройств для фитнеса и беспроводных наушников — электроника становится все более интегрированной в нашу повседневную жизнь, при этом становясь все меньше, легче и гибче.
Именно эту проблему решила решить исследовательская группа во главе с доцентом Мичинао Хасимото из Сингапурского университета технологий и дизайна (SUTD). Команда разработала новый метод 3D-печати, который превращает биоразлагаемые материалы в электропроводящие структуры, которые могут привнести сильный элемент устойчивости в различные электронные компоненты.
«По мере развития 3D-печати технология больше не сводится только к приданию формы пластику», — сказал доцент Хашимото. «Речь также идет о вплетении функциональности, такой как проводимость, для создания устройств непосредственно из экологически чистых материалов».
В статье «Экструзионная печать электропроводящих полимерных композитов с помощью иммерсионного осаждения» команда исследовала использование ацетата целлюлозы, пластика растительного происхождения, который является биоразлагаемым и все чаще рассматривается как более экологичная альтернатива синтетическим полимерам. Тем не менее, печать с его помощью была далеко не простой. Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Engineering Materials.
Традиционные методы печати на основе экструзии, такие как моделирование методом наплавления, основаны на высокой температуре, которую ацетат целлюлозы не может выдержать без разложения. Другим методам, таким как литье на пленку, не хватает точности и гибкости, необходимых для цифрового производства.
Чтобы преодолеть это, исследователи обратились к прямому письму чернилами, которые выдавливают полимерные чернила при комнатной температуре. Их специальные чернила сочетают в себе ацетат целлюлозы, растворенный в ацетоне, с микрочастицами графита для достижения электропроводности. Однако чернила слишком легко растекались на воздухе, что приводило к плохой четкости печати из-за медленного испарения ацетона.
Прорыв произошел, когда исследователи ввели окружающую водную среду. Выдавливая чернила непосредственно в воду, они инициировали процесс, называемый иммерсионным осаждением, когда вода быстро извлекала ацетон из чернил, что, в свою очередь, затвердевало на месте. Важно отметить, что этот процесс предотвратил растекание материала, что позволило сформировать четкие, четко очерченные 3D-структуры.
«Это первый случай, когда иммерсионное осаждение и 3D-печать были объединены для реализации проводящих полимерных композитов», — пояснил доцент Хашимото. «Это позволяет нам печатать краски с гораздо более высоким содержанием наполнителя, чем обычно, без засорения или структурного разрушения».
Большинство методов печати не справляются с проводящими наполнителями с содержанием более 30–50% по весу. Кроме того, проблемой становится засорение сопел или потеря контроля формы. Но с помощью метода, основанного на иммерсии, исследователи смогли включить концентрацию графита до 60%, сохраняя при этом хорошую пригодность для печати и однородность. Напечатанные композиты достигли проводимости более 30 См/м, что достаточно для поддержки таких приложений, как гибкие схемы и мягкие датчики.
Они также продемонстрировали, как эти напечатанные композиты могут быть использованы для создания электрических цепей, успешно питая светодиоды (LED). Чтобы еще больше продемонстрировать универсальность своего метода, они напечатали нависающие спиральные структуры на несущей основе на основе геля, где они получили сложную геометрию без необходимости использования традиционных лесов или постобработки.
«Возможность печатать выступы без поддержки, используя только гелевую ванну, действительно расширяет наши возможности», — сказал доктор Арунрадж С/О Чидамбарам, ведущий автор статьи. «Это более элегантный и эффективный подход, чем печать жертвенных конструкций и их последующее удаление».
Экологическая устойчивость была основной движущей силой проекта. Ацетат целлюлозы и графит являются биоразлагаемыми и широко доступными. Ацетон, растворитель, используемый в чернилах, обладает низкой токсичностью и легко разлагается в почве и воде. Сочетание этих материалов позволяет команде предложить жизнеспособный путь к производству электроники с меньшим воздействием на окружающую среду.
Команда намерена адаптировать этот подход для других комбинаций полимеров и наполнителей и проверить, как их печатные материалы работают в реальных условиях с течением времени. Всеобъемлющая цель состоит в том, чтобы создать масштабируемую, недорогую платформу для производства устойчивых, высокопроизводительных устройств.
Доцент Хасимото добавил: «Настраивая свойства материалов и совершенствуя процесс, мы стремимся создать полную библиотеку пригодных для печати функциональных композитов, адаптированных для конкретных применений, будь то носимые технологии, биосенсоры или гибкие схемы».
