Ultratynde 3-D-printede film omdanner energi af én form til en anden

MIT-forskere har udviklet en enkel, lavprismetode til 3-D-print af ultratynde film med højtydende "piezoelektriske" egenskaber, som kunne bruges til komponenter i fleksibel elektronik eller meget følsomme biosensorer.

Piezoelektriske materialer producerer en spænding som reaktion på fysisk belastning, og de reagerer på en spænding ved fysisk at deformere. De bruges almindeligvis til transducere, som omdanner energi af en form til en anden. Robotaktuatorer, for eksempel, bruge piezoelektriske materialer til at flytte led og dele som reaktion på et elektrisk signal. Og forskellige sensorer bruger materialerne til at konvertere ændringer i tryk, temperatur, kraft, og andre fysiske stimuli, til et målbart elektrisk signal.

Forskere har i årevis forsøgt at udvikle piezoelektriske ultratynde film, der kan bruges som energihøster, følsomme tryksensorer til berøringsskærme, og andre komponenter i fleksibel elektronik. Filmene kunne også bruges som bittesmå biosensorer, der er følsomme nok til at detektere tilstedeværelsen af ​​molekyler, der er biomarkører for visse sygdomme og tilstande.

Det valgte materiale til disse applikationer er ofte en type keramik med en krystalstruktur, der giver genlyd ved høje frekvenser på grund af dens ekstreme tyndhed. (Højere frekvenser oversættes grundlæggende til hurtigere hastigheder og højere følsomhed.) Men, med traditionelle fremstillingsteknikker, at skabe keramiske ultratynde film er en kompleks og dyr proces.

I et papir for nylig offentliggjort i tidsskriftet Anvendte materialer og grænseflader , MIT-forskerne beskriver en måde at 3D-printe keramiske transducere på omkring 100 nanometer tynde ved at tilpasse en additiv fremstillingsteknik til processen, der bygger objekter lag for lag, ved stuetemperatur. Filmene kan printes i fleksible substrater uden tab i ydeevne, og kan give genlyd ved omkring 5 gigahertz, hvilket er højt nok til højtydende biosensorer.

"At fremstille transducerende komponenter er kernen i den teknologiske revolution, " siger Luis Fernando Velaśquez-García, en forsker i Microsystems Technology Laboratories (MTL) i Institut for Elektroteknik og Datalogi. "Indtil nu, det er blevet antaget, at 3-D-printede transducerende materialer vil have dårlig ydeevne. Men vi har udviklet en additiv fremstillingsmetode til piezoelektriske transducere ved stuetemperatur, og materialerne svinger ved gigahertz-niveau frekvenser, som er størrelsesordener højere end noget tidligere fremstillet gennem 3-D-print."

Med Velaśquez-García på papiret er førsteforfatter Brenda García-Farrera fra MTL og Monterrey Institute of Technology and Higher Education i Mexico.

Elektrosprayende nanopartikler

Keramiske piezoelektriske tynde film, lavet af aluminiumnitrid eller zinkoxid, kan fremstilles gennem fysisk dampaflejring og kemisk dampaflejring. Men disse processer skal gennemføres i sterile rene rum, under høje temperaturer og høje vakuumforhold. Det kan være tidskrævende, dyr proces.

Der er billigere 3D-printede piezoelektriske tynde film tilgængelige. Men de er fremstillet med polymerer, som skal være "polet" - hvilket betyder, at de skal have piezoelektriske egenskaber, efter at de er udskrevet. I øvrigt, disse materialer ender sædvanligvis ti mikrometer tykke og kan derfor ikke laves til ultratynde film, der er i stand til højfrekvent aktivering.

Forskernes system tilpasser en additiv fremstillingsteknik, kaldet nærfelt elektrohydrodynamisk aflejring (NFEHD), som bruger høje elektriske felter til at udstøde en væskestråle gennem en dyse for at printe en ultratynd film. Indtil nu, teknikken er ikke blevet brugt til at printe film med piezoelektriske egenskaber.

Forskernes flydende råmateriale - råmateriale brugt til 3D-print - indeholder zinkoxidnanopartikler blandet med nogle inerte opløsningsmidler, som formes til et piezoelektrisk materiale, når det printes på et substrat og tørres. Råmaterialet føres gennem en hul nål i en 3-D printer. Mens den udskrives, forskerne anvender en specifik forspænding til spidsen af ​​nålen og kontrollerer flowhastigheden, hvilket får menisken - kurven set i toppen af ​​en væske - til at danne en kegleform, der udstøder en fin stråle fra dens spids.

Strålen er naturligt tilbøjelig til at bryde i dråber. Men når forskerne bringer nålespidsen tæt på substratet - omkring en millimeter - går strålen ikke i stykker. Den proces udskrives længe, smalle linjer på et underlag. De overlapper derefter linjerne og tørrer dem ved omkring 76 grader Fahrenheit, hænger på hovedet.

Udskrivning af filmen præcis på den måde skaber en ultratynd film af krystalstruktur med piezoelektriske egenskaber, der giver resonans ved omkring 5 gigahertz. "Hvis noget af den proces mangler, det virker ikke, " siger Velaśquez-García.

Ved hjælp af mikroskopiteknikker, holdet var i stand til at bevise, at filmene har en meget stærkere piezoelektrisk respons - hvilket betyder det målbare signal, det udsender - end film lavet gennem traditionelle bulkfremstillingsmetoder. Disse metoder styrer ikke rigtig filmens piezoelektriske akseretning, som bestemmer materialets respons. "Det var lidt overraskende, " siger Velaśquez-García. "I disse bulkmaterialer, de kan have ineffektivitet i strukturen, der påvirker ydeevnen. Men når du kan manipulere materialer på nanoskala, du får en stærkere piezoelektrisk respons."

Lavpris sensorer

Fordi de piezoelektriske ultratynde film er 3D-printede og resonerer ved meget høje frekvenser, de kan udnyttes til at fremstille lave omkostninger, meget følsomme sensorer. Forskerne arbejder i øjeblikket med kolleger i Monterrey Tec som en del af et samarbejdsprogram inden for nanovidenskab og nanoteknologi, at lave piezoelektriske biosensorer til at detektere biomarkører for visse sygdomme og tilstande.

Et resonanskredsløb er integreret i disse biosensorer, som får den piezoelektriske ultratynde film til at oscillere ved en bestemt frekvens, og det piezoelektriske materiale kan funktionaliseres til at tiltrække visse molekylebiomarkører til dets overflade. Når molekylerne klæber til overfladen, det får det piezoelektriske materiale til at forskyde kredsløbets frekvensoscillationer en smule. Det lille frekvensskift kan måles og korreleres til en vis mængde af molekylet, der hober sig op på dets overflade.

Forskerne er også ved at udvikle en sensor til at måle nedbrydningen af ​​elektroder i brændselsceller. Det ville fungere på samme måde som biosensoren, men skift i frekvens ville korrelere med nedbrydningen af ​​en bestemt legering i elektroderne. "Vi laver sensorer, der kan diagnosticere sundheden for brændselsceller, for at se, om de skal udskiftes, " siger Velaśquez-García. "Hvis du vurderer disse systemers helbred i realtid, du kan træffe beslutninger om, hvornår de skal udskiftes, før der sker noget alvorligt."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.