Inkjet-printet flydende metal kunne bringe bærbar teknologi, blød robotik

Ny forskning viser, hvordan inkjet-printteknologi kan bruges til at masseproducere elektroniske kredsløb lavet af flydende metallegeringer til "bløde robotter" og fleksibel elektronik.

Elastiske teknologier kan muliggøre en ny klasse af bøjelige robotter og strækbare beklædningsgenstande, som folk kan bære for at interagere med computere eller til terapeutiske formål. Imidlertid, nye fremstillingsteknikker skal udvikles, før bløde maskiner bliver kommercielt mulige, sagde Rebecca Kramer, en assisterende professor i maskinteknik ved Purdue University.

"Vi ønsker at skabe strækbar elektronik, der kan være kompatibel med bløde maskiner, såsom robotter, der skal presse sig gennem små rum, eller bærbare teknologier, der ikke er begrænsende for bevægelse, " sagde hun. "Ledere lavet af flydende metal kan strække sig og deformeres uden at gå i stykker."

En ny potentiel fremstillingstilgang fokuserer på at udnytte inkjet-print til at skabe enheder lavet af flydende legeringer.

"Denne proces giver os nu mulighed for at udskrive fleksible og strækbare ledere på alt, inklusive elastiske materialer og stoffer, "Sagde Kramer.

En forskningsartikel om metoden udkommer den 18. april i tidsskriftet Avancerede materialer . Papiret introducerer generelt metoden, kaldet mekanisk sintrede gallium-indium nanopartikler, og beskriver forskning op til projektet. Det blev forfattet af postdoc-forsker John William Boley, kandidatstuderende Edward L. White og Kramer.

En trykfarve fremstilles ved at sprede det flydende metal i et ikke-metallisk opløsningsmiddel ved hjælp af ultralyd, som nedbryder det flydende metal i nanopartikler. Denne nanopartikelfyldte blæk er kompatibel med inkjet-print.

"Flydende metal i sin oprindelige form er ikke inkjet-egnet, " sagde Kramer. "Så hvad vi gør er at skabe flydende metal nanopartikler, der er små nok til at passere gennem en inkjet dyse. Sonikering af flydende metal i et bærer opløsningsmiddel, såsom ethanol, både skaber nanopartiklerne og spreder dem i opløsningsmidlet. Derefter kan vi udskrive blækket på ethvert underlag. Ethanolen fordamper væk, så vi står bare tilbage med flydende metalnanopartikler på en overflade."

Efter udskrivning, nanopartiklerne skal genforenes ved at påføre let tryk, hvilket gør materialet ledende. Dette trin er nødvendigt, fordi de flydende metal nanopartikler i første omgang er belagt med oxideret gallium, der fungerer som en hud, der forhindrer elektrisk ledningsevne.

"Men det er en skrøbelig hud, så når du lægger pres, bryder det huden og alt smelter sammen til en ensartet film, " sagde Kramer. "Vi kan gøre dette enten ved at stemple eller ved at trække noget hen over overfladen, såsom den skarpe kant af en siliciumspids."

Fremgangsmåden gør det muligt at vælge, hvilke portioner der skal aktiveres afhængigt af bestemte designs, tyder på, at en blank film kan fremstilles til en lang række potentielle anvendelser.

"Vi aktiverer selektivt, hvilken elektronik vi ønsker at tænde ved at lægge pres på netop disse områder, sagde Kramer, som i år blev tildelt en Early Career Development-pris fra National Science Foundation, som understøtter forskning for at bestemme, hvordan man bedst udvikler flydende-metal blækket.

Processen kunne gøre det muligt hurtigt at masseproducere store mængder af filmen.

Fremtidig forskning vil undersøge, hvordan interaktionen mellem blækket og den overflade, der trykkes på, kan være befordrende for produktionen af ​​specifikke typer enheder.

"For eksempel, hvordan orienterer nanopartiklerne sig på hydrofobe kontra hydrofile overflader? Hvordan kan vi formulere blækket og udnytte dets interaktion med en overflade for at muliggøre selvsamling af partiklerne?" sagde hun.

Forskerne vil også studere og modellere, hvordan individuelle partikler brister, når der påføres tryk, leverer information, der kunne tillade fremstilling af ultratynde spor og nye typer sensorer.