Gli ingegneri elettrici della Duke University hanno ideato una tecnica completamente print-in-place per l'elettronica che è abbastanza delicata da lavorare su superfici delicate, tra cui carta e pelle umana. Il progresso potrebbe consentire tecnologie come l'alta adesione, tatuaggi elettronici incorporati e bende ingannate con biosensori specifici per il paziente.

Le tecniche sono descritte in una serie di articoli pubblicati online il 9 luglio sulla rivista Nanoscala e il 3 ottobre sulla rivista ACS Nano .

"Quando le persone sentono il termine 'elettronica stampata, ' l'aspettativa è che una persona carichi un substrato e i progetti per un circuito elettronico in una stampante e, un tempo ragionevole dopo, rimuove un circuito elettronico perfettamente funzionante, " ha detto Aaron Franklin, James L. e Elizabeth M. Vincent Professore Associato di Ingegneria Elettrica e Informatica alla Duke.

"Nel corso degli anni ci sono stati una sfilza di documenti di ricerca che promettevano questo tipo di 'elettronica completamente stampata, ' ma la realtà è che il processo in realtà comporta l'estrazione del campione più volte per cuocerlo, lavarlo o centrifugare i materiali su di esso, " Franklin ha detto. "Il nostro è il primo in cui la realtà corrisponde alla percezione pubblica".

Il concetto dei cosiddetti tatuaggi elettronici è stato sviluppato per la prima volta alla fine degli anni 2000 presso l'Università dell'Illinois da John A. Rogers, che ora è Louis Simpson e Kimberly Querrey Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la Northwestern University. Piuttosto che un vero tatuaggio che viene iniettato in modo permanente nella pelle, I tatuaggi elettronici di Rogers sono sottili, toppe flessibili di gomma che contengono componenti elettrici ugualmente flessibili.

Il film sottile si attacca alla pelle come un tatuaggio temporaneo, e le prime versioni dell'elettronica flessibile sono state realizzate per contenere monitor dell'attività cardiaca e cerebrale e stimolatori muscolari. Mentre questi tipi di dispositivi sono in via di commercializzazione e produzione su larga scala, ci sono alcune arene in cui non sono adatti, come quando è necessaria la modifica diretta di una superficie mediante l'aggiunta di componenti elettronici personalizzati.

"Affinché la stampa diretta o additiva sia davvero utile, dovrai essere in grado di stampare la totalità di ciò che stai stampando in un solo passaggio, "ha detto Franklin. "Alcune delle applicazioni più esotiche includono tatuaggi elettronici intimamente connessi che potrebbero essere utilizzati per l'etichettatura biologica o meccanismi di rilevamento unici, prototipazione rapida per elettronica personalizzata on-the-fly, e diagnostica cartacea che potrebbe essere facilmente integrata in bende personalizzate."

Nel giornale di luglio, Il laboratorio di Franklin e il laboratorio di Benjamin Wiley, professore di chimica alla Duke, ha sviluppato un nuovo inchiostro contenente nanofili d'argento che può essere stampato su qualsiasi substrato a basse temperature con una stampante aerosol. Produce un film sottile che mantiene la sua conduttività senza ulteriori elaborazioni. Dopo essere stato stampato, l'inchiostro si asciuga in meno di due minuti e mantiene le sue elevate prestazioni elettriche anche dopo aver sopportato una sollecitazione di flessione del 50 percento più di mille volte.

In un video che accompagna il primo documento, lo studente laureato Nick Williams stampa due contatti elettronicamente attivi lungo la parte inferiore del mignolo. Verso la fine del suo dito, collega i cavi a una piccola luce a LED. Quindi applica una tensione alla parte inferiore dei due cavi stampati, facendo in modo che il LED rimanga acceso anche mentre si piega e muove il dito.

Nella seconda carta, Franklin e lo studente laureato Shiheng Lu portano l'inchiostro conduttivo un passo avanti e lo combinano con altri due componenti stampabili per creare transistor funzionali. La stampante posa prima una striscia semiconduttiva di nanotubi di carbonio. Una volta che si asciuga, e senza rimuovere il supporto di plastica o carta dalla stampante, vengono stampati due conduttori di nanofili d'argento che si estendono per diversi centimetri da entrambi i lati. Uno strato dielettrico non conduttore di un materiale bidimensionale, nitruro di boro esagonale, viene quindi stampato sopra la striscia di semiconduttore originale, seguito da un elettrodo finale di nanofilo d'argento.

Con le odierne tecnologie, almeno uno di questi passaggi richiederebbe la rimozione del substrato per un'ulteriore elaborazione, come un bagno chimico per sciacquare via il materiale indesiderato, un processo di indurimento per garantire che gli strati non si mescolino, o una cottura prolungata per rimuovere tracce di materiale organico che possono interferire con i campi elettrici.

Ma il print-in-place di Franklin non richiede nessuno di questi passaggi e, nonostante la necessità che ogni strato si asciughi completamente per evitare di mescolare i materiali, può essere completato alla temperatura di lavorazione complessiva più bassa riportata fino ad oggi.

"Nessuno pensava che l'inchiostro aerosolizzato, soprattutto per nitruro di boro, fornirebbe le proprietà necessarie per rendere l'elettronica funzionale senza essere cotta per almeno un'ora e mezza, " ha detto Franklin. "Ma non solo siamo riusciti a farlo funzionare, abbiamo dimostrato che cuocerlo per due ore dopo la stampa non ne migliora le prestazioni. Era il massimo che si poteva ottenere usando il nostro processo di stampa sul posto completo."

Franklin non vede il suo metodo di stampa sostituire i processi di produzione su larga scala per l'elettronica indossabile. Ma vede un potenziale valore per applicazioni come la prototipazione rapida o situazioni in cui una dimensione non va bene per tutti.

"Pensa alla creazione di bende su misura che contengano componenti elettronici come biosensori, dove un'infermiera poteva semplicemente andare a una postazione di lavoro e inserire le caratteristiche necessarie per un paziente specifico, " ha detto Franklin. "Questo è il tipo di funzionalità di stampa su richiesta che potrebbe aiutare a guidarlo".