Metal-silikone mikrostrukturer kunne muliggøre nye fleksible optiske og elektriske enheder

For første gang, forskere har brugt et enkelt trin, laserbaseret metode til at producere små, præcise hybridmikrostrukturer af sølv og fleksibel silikone. Denne innovative laserbehandlingsteknologi kan en dag muliggøre smarte fabrikker, der bruger en produktionslinje til at masseproducere tilpassede enheder, der kombinerer bløde materialer som konstrueret væv med hårde materialer, der tilføjer funktioner såsom glukosemåling.

Metalkomponenten i mikrostrukturerne gør dem elektrisk ledende, mens den elastiske silikone bidrager med fleksibilitet. Denne unikke kombination af egenskaber gør konstruktionerne følsomme over for mekanisk kraft og kan være nyttige til fremstilling af nye typer optiske og elektriske enheder.

"Denne type mikrostrukturer kan muligvis bruges til at måle meget små bevægelser eller ændringer, såsom en lille bevægelse fra et insekts krop eller det subtile udtryk frembragt af en menneskelig ansigtsmuskel, "sagde forskningsteamleder Mitsuhiro Terakawa fra Keio University, Japan. "Disse oplysninger kunne bruges til at skabe perfekte computergenererede versioner af disse bevægelser."

Som beskrevet i journalen Express optiske materialer , fra The Optical Society (OSA), forskerne producerede trådlignende strukturer af sølv omgivet af en type silikone kendt som polydimethylsiloxan (PDMS). Forskerne brugte PDMS, fordi det er fleksibelt og biokompatibelt, hvilket betyder, at det er mere sikkert at bruge på eller i kroppen.

De fremstillede strukturerne, som måler så lidt som 25 mikron bred, ved at bestråle en blanding af PDMS og sølvioner med ekstremt korte laserpulser, der kun varer femtosekunder. På et femtosekund, lys bevæger sig kun 300 nanometer, som bare er lidt større end de mindste bakterier.

"Vi mener, at vi er den første gruppe, der bruger femtosekund -laserpulser til at skabe et hybridmateriale, der indeholder PDMS, hvilket er meget nyttigt på grund af dets elasticitet, "sagde Terakawa." Værket repræsenterer et skridt i retning af at bruge en enkelt, præcision laserbehandlingsteknologi til at fremstille biokompatible enheder, der kombinerer hårde og bløde materialer. "

Gør to laserprocesser til én

En-trins fremstillingsmetoden, der bruges til at fremstille hybridmikrostrukturer, kombinerer de lysbaserede kemiske reaktioner kendt som fotopolymerisering og fotoreduktion, begge blev induceret ved anvendelse af femtosekund laserpulser. Fotopolymerisation bruger lys til at hærde en polymer, og fotoreduktion bruger lys til at danne mikrostrukturer og nanostrukturer fra metalioner.

Fremstillingsteknikken er et resultat af et samarbejde mellem Terakawas forskningsgruppe, som har studeret to-foton fotoreduktion ved hjælp af bløde materialer, og en gruppe ved den tyske forskningsorganisation Laser Zentrum Hannover, der har fremmet enkelt-foton fotopolymerisering af PDMS.

For at skabe trådmikrostrukturerne, forskerne bestrålede PDMS-sølvblandingen med lys fra femtosekundlaser, der udsender ved 522 nm, en bølgelængde, der interagerer effektivt med materialeblandingen. De valgte også omhyggeligt sølvioner, der ville kombinere godt med PDMS.

Forskerne fandt ud af, at kun en laserscanning dannede tråde, der udviser både metallets elektriske ledningsevne og elasticiteten af ​​en polymer. Yderligere scanninger kunne bruges til at producere tykkere og mere ensartede strukturer. De viste også, at trådkonstruktionerne reagerede på mekanisk kraft ved at blæse luft over strukturerne for at skabe et tryk på 3 kilopascal.

Forskerne siger, at ud over at lave ledningsstrukturer, metoden kunne bruges til at lave små 3D metal-silikone strukturer. Som et næste trin, de planlægger at undersøge, om de fremstillede ledninger bevarer deres struktur og egenskaber over tid.

"Vores arbejde viser, at samtidig inducering af fotoreduktion og fotopolymerisering er en lovende metode til fremstilling af elastiske og elektrisk ledende mikrostrukturer, "sagde Terakawa." Dette er et skridt i retning af vores langsigtede mål om at udvikle en smart fabrik til fremstilling af mange menneskekompatible enheder i en produktionslinje, om materialerne er bløde eller hårde."