In un recente studio sulla scienza dei materiali e la nanomedicina, Young-Geun Park e collaboratori dei dipartimenti di Nanoscienze, La nanomedicina e la scienza e l'ingegneria dei materiali nella Repubblica di Corea hanno sviluppato un approccio di stampa 3D non convenzionale. Gli scienziati hanno progettato un'alta risoluzione, strategia di stampa 3D riconfigurabile che utilizza metalli liquidi per formare estensibili, Costrutti 3-D. Usando la tecnica, hanno formato una larghezza di linea minima di 1,9 µm utilizzando la stampa diretta e modelli stampati per la riconfigurazione in diverse strutture 3D mantenendo risoluzioni incontaminate.

Hanno eseguito riconfigurazioni molte volte per generare un'interfaccia di ossido sottile e preservare le proprietà elettriche del materiale in condizioni ambientali. Le caratteristiche indipendenti potrebbero essere incapsulate in estensibile, configurazioni conformi. Parco et al. applicazioni dimostrate sotto forma di antenna riconfigurabile, sintonizzabile modificando le geometrie e interconnessioni mobili in modo reversibile per utilizzare i costrutti come interruttori meccanici. Le strutture 3D autoportanti erano vantaggiose per ridurre al minimo il numero e lo spazio tra le interconnessioni per una maggiore integrazione, come si vede con gli array di microLED. I risultati sono ora pubblicati su Progressi scientifici .

Tecnologie avanzate che formano strutture conduttive 3D ad alta risoluzione, proporzioni elevate e un errore di spostamento minimo sono importanti per aumentare l'integrità del dispositivo. La deformabilità del dispositivo è una considerazione chiave per l'elettronica a forma libera, compresa l'elettronica estensibile, elettronica indossabile, attuatori morbidi e robotica. Questi dispositivi elettronici richiedono tipicamente la conformazione con mobili, forme arbitrarie come articolazioni o braccia, o le superfici morbide degli organismi viventi. Realizzare tali dispositivi estensibili con materiali convenzionali come il silicio è una sfida a causa della loro fragilità. Gli scienziati dei materiali hanno quindi sviluppato diversi materiali conduttivi con un'eccellente elasticità sotto forma di metalli sottili ondulati, reti metalliche e compositi elastomerici, tuttavia questi processi non sono in grado di formare strutture 3-D scalabili. Inoltre, stampato in 3D, e i metalli ricotti termicamente sono relativamente rigidi e rigidi causando danni a materiali morbidi, substrati simili a tessuti.

Comparativamente, i metalli liquidi come la lega eutettica di gallio-indio (EGaIn) o la lega di gallio-indio-stagno (Galinstan) sono intrinsecamente estensibili, con bassa tossicità e minima volatilità per un'eccellente conduttività elettrica, paragonabile ai metalli solidi. La stampa diretta a inchiostro con un ugello può formare strutture 3D indipendenti a temperatura ambiente impilando gocce di metallo liquido l'una sull'altra, ma la risoluzione risultante non è adatta per costruire dispositivi elettronici. Nel presente lavoro quindi, Parco et al. segnalare un metodo di stampa ad alta risoluzione con metallo liquido per la sua riconfigurazione diretta in modelli di elettrodi 3D attraverso un ugello, in condizioni ambientali.

Nella configurazione sperimentale, Parco et al. collegato un ugello a un serbatoio di inchiostro o a un controller di pressione. Gli scienziati dei materiali hanno utilizzato EGaIn (75,5% di gallio e 24,5% di lega di indio in peso) come inchiostro e hanno controllato la distanza tra la punta dell'ugello e il substrato polimerico per erogare l'inchiostro. Utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM), hanno visto il modello EGaIn stampato con complesse geometrie 2-D e 3-D e hanno usato la tecnica per stampare modelli più diversi come interconnessioni di circuiti elettrici ad alta risoluzione.

Dopo aver stampato direttamente EGaIn attraverso un ugello, gli scienziati hanno sollevato la punta dell'ugello per spostarla nella posizione desiderata del substrato per continuare a stampare. L'energia di frattura della pelle di ossido collegava la punta dell'ugello come una "corda" durante il sollevamento. Parco et al. ha misurato le velocità massime per diversi diametri di filamenti per dimostrare diversi esempi e ha formato caratteristiche 2-D e 3-D con riconfigurazione ripetibile. Durante il processo di riconfigurazione, gli scienziati potrebbero sollevare un filamento prestampato in posizione verticale da un substrato senza fratturare il costrutto. Gli elettrodi stabili osservati potrebbero resistere al carico elettrico per diventare sempre più integrati e miniaturizzati nei dispositivi elettrici. Per verificare l'idoneità degli elettrodi EGaIn come interconnessioni, Parco et al. ha condotto successivamente i test di guasto elettrico.

Quando hanno applicato la polarizzazione CC o CA per monitorare il guasto elettrico, anche la temperatura è aumentata nel setup sperimentale influenzando la stabilità meccanica delle caratteristiche 3-D di EGaIn. I costrutti hanno mantenuto la loro struttura tridimensionale autoportante iniziale senza collasso strutturale a 500 ⁰ C per 30 minuti. Dopo ripetuti riscaldamenti e raffreddamenti a temperatura ambiente, la pelle di ossido della caratteristica 3-D leggermente rugosa a causa dell'espansione termica tra il guscio di ossido e il nucleo EGaIn. Parco et al. testato il contatto elettrico di metalli liquidi stampati direttamente e riconfigurati e misurato la dipendenza della resistenza totale dalla lunghezza del canale stampato per dimostrare che la resistenza dei modelli EGaIn aumentava significativamente con il tempo in condizioni ambientali.

Come prova di principio dell'elettronica riconfigurabile sviluppata nel presente lavoro, Parco et al. ha dimostrato la formazione di un'antenna riconfigurabile con la capacità di modificare la sua frequenza di risonanza e le proprietà di radiazione cambiando la sua geometria. Per questo, gli scienziati hanno formato una struttura di antenna a doppia bobina su un vetrino stampando direttamente EGaIn. Durante la riconfigurazione, EGaIn ha formato un'interconnessione a ponte 3-D, la cui frequenza di risonanza gli scienziati hanno determinato per la prima volta, seguito dal loro uso per azionare selettivamente tre diversi diodi emettitori di luce (LED) con rosso, emissioni di luce verde e blu. Il riconfigurabile, L'interconnessione indipendente ha mantenuto la sua resistenza per far funzionare in modo affidabile tutti i LED a 3 V durante il distacco e il collegamento ripetuti di più fasi di riconfigurazione.

Le interconnessioni 3D indipendenti formate utilizzando il processo di riconfigurazione erano vantaggiose per costruire geometrie trasversali in un unico piano XY, invece di utilizzare più strati per evitare contatti elettrici indesiderati. Per questo, Parco et al. ha dimostrato le interconnessioni trasversali e longitudinali di EGaIn per una matrice 4 x 4 di microLED su una pellicola polimerica flessibile per prevenire cortocircuiti. Utilizzando il metodo, Parco et al. ridotto al minimo il numero di interconnessioni integrate in un dispositivo miniaturizzato, poiché il modello 3D potrebbe ridurre al minimo in modo efficiente il numero e lo spazio delle interconnessioni.

In questo modo, Young-Geun Park e i suoi collaboratori hanno dimostrato la stampa 3D ad alta risoluzione utilizzando metallo liquido e hanno mostrato la sua applicazione per integrazioni 3D estensibili che sono difficili da ottenere con l'ingegneria convenzionale. Rispetto alle tecniche di stampa 3D esistenti, questo metodo può formare bene, strutture 3D autoportanti di elettrodi con pattern riconfigurabili. Come esempio, Parco et al. ha progettato un'antenna riconfigurabile in grado di modificare la sua frequenza di risonanza tramite cambiamenti geometrici. Hanno anche presentato interconnessioni 3D mobili reversibili come interruttori meccanici che potrebbero facilitare un'integrazione più compatta in dispositivi miniaturizzati. Gli scienziati si aspettano che il metodo di riconfigurazione 3-D ad alta risoluzione offra una nuova promettente strategia di produzione additiva per dispositivi elettronici di prossima generazione altamente integrati ed elastici.

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