В Корее разработали технологию нанопечати, позволяющую нанести «сверхтонкие металлические схемы» на растения и электронную кожу

Корреспондент Гу Бон Хёк

- Результат совместной работы исследовательских групп KAIST, KIMM и Университета Корё
- Применение в умных фермах, носимых устройствах для мониторинга здоровья и электронной коже

Изображение технологии нанопечати, позволяющей переносить и наносить сверхтонкие схемы (изображение сгенерировано с помощью ИИ) [Предоставлено KAIST]

Команда корейских исследователей разработала новую технологию нанопечати, позволяющую переносить и наносить сверхтонкие схемы на нужные поверхности. Ожидается, что эта технология найдет применение в различных областях, таких как умные фермы, носимые устройства для здравоохранения и электронная кожа роботов.

15 июня Корейский институт передовых технологий (KAIST) сообщил, что исследовательская группа под руководством заслуженного профессора Пак Ин Гю из его кафедры машиностроения совместно с другими командами во главе с доктором Чон Чжун Хо из Корейского института машиностроения и материалов (KIMM) и профессором Ан Чжун Сон из Университета Коре разработала технологию «водоплавающей нанотрансферной печати (Water-Floating Nanotransfer Printing)», позволяющую переносить точную металлическую пленку, плавающую на воде, на различные трехмерные поверхности.

Существующая технология нанотрансферной печати, используемая для производства электронных компонентов и датчиков, требовала высокой температуры и давления, а также сильных клеев или химических растворителей. Из-за этого ее было сложно применять к биологическим тканям, чувствительным к теплу и давлению, или к сложным криволинейным поверхностям.

Исследовательская группа нанесла на полимерную матрицу очень тонкий слой металлов, таких как золото (Au), платина (Pt), палладий (Pd) и никель (Ni), а затем с помощью плазмы (ионизированного газа в высокоэнергетическом состоянии) выборочно удалила часть матрицы. Если поместить эту конструкцию в воду, вода проникает через мелкие щели, и металлическая пленка толщиной 20 нанометров (нм, одна миллиардная метра) всплывает на поверхность воды, сохраняя свою первоначальную форму.

Исследователи перенесли металлическую схему методом «зачерпывания (scooping)», погрузив под плавающую на воде пленку нужный объект, а затем медленно поднимая его. Это позволяет капиллярной силе (сила, заставляющая жидкость перемещаться в узких пространствах), возникающей при высыхании воды, прижимать схему к поверхности, а после полного испарения воды она прочно фиксируется без использования клея благодаря межмолекулярному притяжению.

В частности, схему удалось перенести даже на гидрофобную (не впитывающую воду) поверхность, такую как листья лотоса, с которых вода сильно отскакивает. Добавив в воду небольшое количество этанола для снижения поверхностного натяжения (сила, с которой поверхность жидкости стремится сжаться), удалось преодолеть ограничения существующих технологий.

Рис. 1 | Общий обзор водоплавающей наносети и универсальной технологии переноса. a) Техника плавания и переноса состоит из трех этапов: i) суспендирование наносети посредством плазменного травления, ii) формирование наносети, плавающей на воде, и iii) механизм переноса, позволяющий наносить ее на различные трехмерные подложки, такие как изогнутые оптические линзы, гидрофильные листья растений и гидрофобные гибкие электроформованные волокна, что демонстрирует высокую универсальность. b) Универсальные применения перенесенной наносети: обнаружение пестицидов на основе SERS и датчик водорода на основе палладия.

Рис. 2 | Различные морфологические анализы плавающей наноструктуры. a) Концептуальная иллюстрация наносетки, плавающей на воде. b) Изображения поперечного сечения формы с квадратными точками и сеткой с Au (изображены в виде открытых прямоугольников серого и оранжевого цветов), демонстрирующие процедуру удаления точек (b-i) и влияние различных времен травления (b-ii–b-iv). Красная линия на каждом изображении обозначает ширину области квадратных точек. c) Фотографическое изображение наносетки, полученной методом плавания на воде. d) Изображение, полученное с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ), квадратной сетки из Au, перенесенной на предметное стекло; на врезке показано фотографическое изображение квадратной наносетки на предметном стекле. e) Изображения, полученные с помощью энергодисперсионного спектрометра (EDS), различных металлических сеток с разными узорами, демонстрирующие универсальность метода плавания в отношении переносимых материалов и разнообразие типов сеток. f) Изображения, полученные с помощью РЭМ, многослойной сетки на предметном стекле (f-i); зеленые и темно-синие рамки выделяют границы раздела между 1-м и 2-м слоями (f-ii) и между 2-м и 3-м слоями (f-iii) соответственно (темно-зеленый, фиолетовый и желтый цвета обозначают 1-й, 2-й и 3-й слои).

Рис. 3 | Результаты nTP на различных 3D-поверхностях и морфологический анализ. a) Фотографическое изображение наноситки на изогнутой оптической линзе с различным радиусом кривизны. b) Электрическое сопротивление наноситки на линзе в зависимости от толщины Au. Сопротивление измерялось путем соприкосновения щупа мультиметра с краем сетки, как показано на врезке. c) Фотографическое изображение Au-сетки на листе. d) Изображения SEM поверхности необработанного листа (d-i) и (d-ii), однослойной сетки на листе (d-iii) и (d-iv), а также трехслойной сетки на листе (d-v) и (d-vi). e) Изображение поперечного сечения однослойной сетки на листе, демонстрирующее вариацию толщины Au. f) Фотографические и ОМ-изображения наносетки на яблоке. Вставка показывает увеличенное ОМ-изображение области сетки (масштабная линейка: 100 мкм). g) Фотографические и СЭМ-изображения наносетки на апельсине.

Рис. 4 | Перенос на гидрофобные поверхности и морфологический анализ. a) Измерения угла смачивания на обратной стороне листа Nandina domestica с использованием различных объемных соотношений деионизированной воды и этанола. b) Изображения с растрового электронного микроскопа (SEM) сетки Au на обратной стороне листа, демонстрирующие конформный контакт с шероховатой поверхностью. c) Измерения угла смачивания на электроформованном волокне TPU с использованием различных объемных соотношений деионизированной воды и этанола. d) Изображения с растрового электронного микроскопа (SEM) и фотографии (вставка) сетки Au на гидрофобных электроформованных волокнах TPU. e) Измерения угла смачивания на листе лотоса с использованием различных объемных соотношений деионизированной воды и этанола. По мере увеличения содержания этанола угол смачивания уменьшается, что указывает на улучшение смачивающих свойств поверхности листа лотоса. f) Изображения, полученные с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ), и фотографии (вставка) необработанной поверхности лотоса и перенесенной золотой сетки на листе лотоса.

Рис. 5 | Разработка и демонстрация устройства SERS для обнаружения пестицидов. a) Изображение СЭМ и схематическая иллюстрация, показывающая два типичных вида «горячих точек», генерируемых в многослойной сетчатой структуре, и b) геометрическая конфигурация для FDTD-моделирования. c) Результаты моделирования многослойной структуры в зависимости от количества слоев. d) Рамановские спектры R6G при концентрациях от 10⁻³M до 10⁻⁶ M на предметном стекле с 7-слойной сеткой. e) Рамановские спектры 10⁻⁶ M R6G в зависимости от количества слоев. Желтый оттенок выделяет характерный пик сдвига Рамана R6G. f) Максимальное усиление электрического поля (E/E₀ ≥ 1) многослойной структуры и относительная интенсивность сигнала SERS при ~1510 см⁻¹ для 10⁻⁶ М R6G с полиномиальной аппроксимацией. g) Фотография лимонно-апельсинового дерева и изображения листьев и плодов, полученные с помощью растрового электронного микроскопа (SEM), с 7-слойной сеткой из Au и без нее. h) Рамановские спектры тирама на листьях и плодах при различных концентрациях тирама, с сеткой и без нее. Желтым цветом выделен характерный Рамановский сигнал тирама, а зеленым — сигнал необработанных листьев и плодов.

Рис. 6 | Демонстрация датчика водорода на основе палладия. a) Схематическое изображение датчика водорода на основе палладия на волокне ES. b) Фотография датчика внутри газовой камеры, сопровождаемая изображением, полученным с помощью растрового электронного микроскопа (SEM). c) Реакция датчика водорода в зависимости от концентрации газа. d) 50-цикловый тест при каждой концентрации, демонстрирующий стабильность и повторяемость датчика. e) Газовая селективность для различных газов, включая CO, H₂S и NO₂, при различных концентрациях.

Совместная исследовательская группа, проводившая данное исследование. Пак Ин Гю (слева направо), профессор кафедры машиностроения KAIST; Кан Бён Хо, аспирант кафедры машиностроения KAIST; Чон Чжун Хо, доктор наук Корейского института машиностроения и материалов, Ан Чжун Сон: профессор Сечжонского кампуса Университета Коре [Предоставлено KAIST]

В сфере умных ферм эта технология может быть использована в качестве датчиков «интернета вещей» сельскохозяйственного назначения, которые с помощью электродов, прикрепленных непосредственно к листьям растений, позволяют в режиме реального времени отслеживать состояние увлажнения и питания растений, а также сигналы их роста. Ее также можно использовать в качестве датчиков SERS (поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия) для немедленного неразрушающего анализа на месте, без необходимости сбора образцов с листьев или фруктов, на которых остались следы пестицидов.

В сфере носимых устройств для здравоохранения перенесенную на эластичное волокно тонкопленочную структуру можно использовать для создания «умной» повседневной одежды; наклеиваемых на кожу пластырей для мониторинга ЭКГ и температуры тела; а также экипировки для обнаружения утечек водорода на промышленных объектах.

В медицинской и биотехнологической сферах ее можно использовать в качестве биосовместимых медицинских устройств, таких как «электронная кожа», наносимая непосредственно на кожу, и пластыри для мониторинга реабилитации после операций.

«Эта технология имеет большое значение, поскольку преодолевает ограничения существующей нанопечати, позволяя переносить наноузоры на чувствительные поверхности, такие как живые листья растений или кожа, без использования клея или тепловой обработки» - сказал профессор Пак Ин Гю, добавив: «Это открывает возможности для расширения в биологическую область, например, для проведения исследований на клеточном уровне, включая воздействие на клетки электрическими импульсами, мониторинг состояния роста и проверку реакции на доставку лекарств».

Результаты данного исследования опубликованы в международном научном журнале «Nature Communications».

nbgkoo@heraldcorp.com

#южнаякорея #корея #политика #экономика #промышленность #технология #медицина #сельскоехозяйство #цифровизация #машинноеобучение #интернетвещей #датчики #здравоохранение #общество #культура #искусство #азия #экг