Исследователи из Университета Райса представили метод 3D-печати с использованием сфокусированных микроволн. Технология, описанная в журнале Science Advances, позволяет избирательно нагревать токопроводящие чернила, не повреждая чувствительную подложку под ними — это решает одну из ключевых проблем в аддитивном производстве электроники.
До сих пор тепло, необходимое для спекания или полимеризации проводящих чернил, часто разрушало сам материал основы, особенно если это были биополимеры или живые ткани.
Принцип работы технологии NFP
Профессор Йонг Лин Конг и его команда назвали свой процесс 3D-печатью ближним микроволновым полем (Near-field microwave 3D printing, NFP). Система основана на метаматериальном устройстве Meta-NFS, разработанном совместно с исследователем Джоном Хо из Национального университета Сингапура. Это устройство генерирует направленную энергию ближнего микроволнового поля, фокусируя её в зоне нагрева размером с ширину человеческого волоса.
«Возможность избирательно нагревать печатные материалы позволяет нам пространственно программировать функциональные свойства чернил, даже когда они окружены термочувствительным материалом. Это даёт возможность интегрировать электронику произвольной формы на широкий спектр подложек, включая биополимеры и живые биологические ткани, — всё в рамках настольного принтера без сложных установок или трудоёмких ручных процессов», — поясняет профессор Конг.
Комбинируя микроволновый нагрев с микроэкструзией наночернил, команда научилась локально контролировать микроструктуру материала, программируя свойства будущих схем. Технология подходит для работы с керамическими, металлическими, термореактивными или другими легированными чернилами. Их можно спекать на поверхности или избирательно отверждать внутри объёмных структур, соединяя разные материалы непосредственно в процессе печати, а не на этапе последующей сборки.
Практические применения и перспективы
В качестве теста команда напечатала датчики деформации из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, создав схему, пригодную для использования внутри тела. Сейчас группа Конга работает над съедобными сенсорами, компонентами для мягкой робототехники и сложными гибридными устройствами.
Технология Meta-NFS стала основой для разработки принципиально новых классов электроники. Например, группа создаёт проглатываемые электронные системы для персонализированной диагностики и лечения, проектирует бионические устройства для интерфейса с биологическими органами, а также разрабатывает мягких роботов и дроны следующего поколения со встроенной электронной функциональностью.
«3D-печать Meta-NFS позволяет нам создавать новые классы гибридных электронных устройств, которые нельзя было построить — или даже представить — с помощью предыдущих производственных подходов. Это даёт нам новые возможности для решения неудовлетворённых потребностей общества», — заявляет Конг.
Объёмный нагрев и послойное построение структур из спечённых чернил открывают уникальные возможности. Процесс выглядит особенно перспективным для создания герметичных сенсоров и сложных устройств. Рынок медицинских датчиков для имплантации может быть огромным. Технология также подходит для производства компактной носимой электроники для мониторинга здоровья, например, уровня глюкозы. В более отдалённой перспективе метод может удешевить массовое производство интеллектуальных схем для «умной» инфраструктуры — от домов и фонарных столбов до мостов, которые смогут самостоятельно отслеживать своё состояние.
Применение в России и СНГ
Разработка Университета Райса открывает новые горизонты для российских исследовательских центров и компаний, работающих в области аддитивной электроники и функциональных материалов. Локальный микроволновый нагрев решает критическую проблему интеграции проводящих элементов в термочувствительные полимерные и композитные детали, что актуально для отечественного авиастроения, медицины и производства умной оснастки. Российские научные группы, занимающиеся 3D-печатью многофункциональных изделий и гибкой электроникой, могут адаптировать этот принцип для создания датчиков нового поколения, встроенных в конструкции из отечественных материалов. Технология также перспективна для развития персонализированной медицины и бионических устройств, где требуются безопасные методы интеграции электроники с биосовместимыми подложками. Успех будет зависеть от междисциплинарной кооперации материаловедов, радиофизиков и инженеров-аддитивщиков. Российские специалисты уже решали подобные задачи — например, при 3D-печати технологической оснастки.
