I ricercatori hanno sviluppato una tecnica di stampa a getto d'inchiostro che può essere utilizzata per stampare componenti ottici come le guide d'onda. Poiché l'approccio alla stampa può anche fabbricare elettronica e microfluidica, potrebbe far avanzare una varietà di dispositivi come sensori ottici utilizzati per il monitoraggio della salute e dispositivi lab-on-a-chip che integrano e automatizzano più funzioni di laboratorio su un piccolo circuito, o chip.

"La stampa a getto d'inchiostro è un metodo molto interessante per la fabbricazione di componenti ottici perché le posizioni e le dimensioni delle caratteristiche possono essere facilmente modificate e non c'è praticamente alcuno spreco di materiale, " disse Fabian Lütolf, un membro del gruppo di ricerca guidato da Rolando Ferrini al CSEM in Svizzera. "Però, la tensione superficiale degli inchiostri rende difficile la stampa di linee con un'altezza specifica, che è necessario per creare una guida d'onda."

La stampa a getto d'inchiostro è una tecnica di produzione additiva che utilizza piccoli ugelli come quelli che si trovano nelle stampanti a getto d'inchiostro desktop per depositare un modello di gocce generato dal computer (l'"inchiostro") su un substrato per costruire una struttura. I ricercatori hanno scoperto che depositando l'inchiostro in due passaggi, piuttosto che il tradizionale passo singolo, ha consentito la stampa di linee con un'altezza specifica e con caratteristiche molto più uniformi di quanto sarebbe altrimenti possibile. Le strutture stampate sono considerate di 2,5 dimensioni perché sebbene non siano piatte, la loro complessità è limitata rispetto alle strutture realizzate con la stampa 3D tradizionale.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Optics Express , i ricercatori mostrano che la loro tecnica può essere utilizzata per stampare guide d'onda ottiche 2.5D e conicità in polimero acrilico. Il concetto di stampa può essere utilizzato anche con altri materiali come inchiostri metallici per realizzare componenti elettronici o miscele di saccarosio per applicazioni biodegradabili.

Lütolf sottolinea che, sebbene la stampa dell'elettronica sia già utilizzata commercialmente, la stampa della microfluidica è più impegnativa e soggetta agli stessi problemi delle guide d'onda. "Il fatto che il nostro approccio possa consentire la fabbricazione di componenti con più funzionalità con una singola stampante apre la strada alla produzione additiva di interi circuiti integrati su chip, " ha affermato Lütolf. "Ciò significa che i componenti ottici potrebbero essere aggiunti all'elettronica ibrida flessibile e che i componenti optoelettronici come le sorgenti luminose oi rilevatori potrebbero essere integrati nei circuiti ottici stampati".

Trasformare un problema in una soluzione

A causa della tensione superficiale, gli inchiostri depositati su un supporto tendono a gonfiarsi oa spaccarsi. Il deposito dell'inchiostro in due fasi ha permesso ai ricercatori di trasformare la tensione superficiale del liquido in un vantaggio. Dopo aver depositato una serie di goccioline, l'inchiostro stampato nel secondo passaggio cerca di minimizzare la sua energia superficiale autoallineandosi tra le goccioline della prima stampa. A differenza dei precedenti approcci alla stampa a getto d'inchiostro, i ricercatori non hanno dovuto pre-modellare il substrato, che aumenta lo spazio di progettazione disponibile e semplifica la fabbricazione.

Per realizzare la nuova tecnica, vengono prima stampate una serie di goccioline chiamate pinning caps. Queste calotte sferiche fissano i ponti liquidi formati dall'inchiostro della seconda stampa, formando una configurazione che immobilizza l'inchiostro e impedisce la formazione di rigonfiamenti nella linea stampata. Oltre a tracciare linee rette tra due punti, la tecnica può essere utilizzata per collegare tre o più giunzioni per realizzare angoli o spigoli vivi.

La nuova tecnica offre numerosi vantaggi rispetto alla fotolitografia classica, che viene tipicamente utilizzato per realizzare piccoli componenti su chip. "La stampa a getto d'inchiostro non richiede una maschera fisica come la fotolitografia ed è più facile collegare i componenti, " disse Lütolf. "Inoltre, se vuoi solo testare velocemente un'idea o variare un parametro, i metodi di produzione additiva come la stampa a getto d'inchiostro richiedono solo l'adattamento del design digitale".

Per valutare il nuovo metodo di stampa, i ricercatori hanno creato una guida d'onda polimerica larga 120 micron e alta 31 micron con un cono che permetteva alla luce di una sorgente laser esterna di entrare nella guida d'onda. Hanno misurato la perdita ottica all'interno della guida d'onda di 0,19 dB/cm, solo un ordine di grandezza superiore allo stato dell'arte delle guide d'onda create utilizzando la fotolitografia.

"Nel giornale, segnaliamo le prime guide d'onda stampate a getto d'inchiostro con caratterizzazione delle perdite, " ha detto Lütolf. "Per le applicazioni che immaginiamo, le guide d'onda trasporterebbero la luce per brevi distanze, e non su intere reti. L'attuale livello di perdite può essere tollerato per tali applicazioni".

Secondo i ricercatori, le guide d'onda più piccole possibili sono costituite da una singola goccia di inchiostro, la cui dimensione è limitata dall'ugello della stampante a getto d'inchiostro. Per la stampante utilizzata nello studio, le guide d'onda più strette sarebbero nell'intervallo dei 40 micron con un'altezza di circa 10 micrometri. Anche le tipiche stampanti a getto d'inchiostro industriali hanno limiti simili.

"Con la nostra attuale combinazione di materiali e hardware, non è possibile realizzare guide d'onda inferiori a 10 micrometri, come tipicamente richiesto per il funzionamento in modalità singola. Ma siamo vicini, " disse Lütolf. "C'è, però, nessun limite fisico fondamentale che ci impedisca di stampare guide d'onda a modalità singola."

Aggiunge che diversi gruppi hanno dimostrato capacità di stampa nell'intervallo submicronico con tecniche come la stampa elettroidrodinamica (E-jet). Dovrebbe essere possibile combinare tali strumenti con la nuova tecnica di stampa a getto d'inchiostro per creare guide d'onda a modalità singola.

I ricercatori stanno ora lavorando per ottimizzare il metodo di stampa e l'inchiostro per ridurre ulteriormente la quantità di luce persa dalla guida d'onda. Stanno anche lavorando per rendere il processo a getto d'inchiostro più applicabile alla fabbricazione su larga scala e, infine, implementazione commerciale.