Созданы электронные чернила нового типа, позволяющие печатать схемы, способные изменять свое физическое состояние. При незначительном нагреве созданные из них цепи переходят из твердого, похожего на пластик, состояния в мягкое и эластичное, напоминающее резину. Эта технология устраняет разрыв между высокопроизводительной жесткой электроникой и гибкими мягкими системами, открывая возможности для адаптивных устройств нового поколения.
Основу чернил составляет галлий — металл, который остается твердым при комнатной температуре, но плавится при температуре чуть ниже температуры человеческого тела, а именно при 37°C (98.6°F). Микроскопические частицы галлия взвешены в гибкой полимерной матрице с использованием специального растворителя на основе полимера — диметилсульфоксида (DMSO). Такая композиция позволяет наносить чернила на поверхность с высокой точностью.
Технология решает ключевые проблемы использования галлия в печатной электронике, связанные с его высоким поверхностным натяжением и быстрым окислением, которое приводит к образованию твердой корки на частицах. Процесс активации схемы происходит в несколько этапов: после печати цепь подвергается легкому нагреву. Тепло заставляет растворитель DMSO разлагаться, создавая слабокислую среду. Эта кислота разрушает оксидную пленку на поверхности микрочастиц галлия.
Освобожденные от оксидной корки, частицы галлия плавятся и сливаются друг с другом, образуя непрерывные токопроводящие пути. Именно после этого первоначального нагрева материал становится проводником электричества. В ходе испытаний было установлено, что при нагревании материал становится более чем в 1400 раз мягче, чем в своем исходном твердом состоянии.
Новые чернила обеспечивают печать с высоким разрешением, позволяя создавать элементы схем размером всего 50 микрометров, что тоньше человеческого волоса. Эта возможность fabricating высокоточных схем при комнатной температуре является значительным преимуществом по сравнению с традиционными методами производства.
Разработка решает фундаментальную дилемму современной электроники. Устройства, как правило, либо жесткие (смартфоны), что обеспечивает высокую производительность, но исключает гибкость, либо мягкие (носимые датчики), что гарантирует комфорт, но сопряжено с компромиссами в производительности и сложностями в производстве. Технология с переменной жесткостью объединяет преимущества обоих подходов в одном устройстве.
Для демонстрации потенциала были созданы два рабочих прототипа. Первый — носимое медицинское устройство. При комнатной температуре оно сохраняет жесткость, обеспечивая прочность, но при контакте с кожей пользователя становится мягким, что значительно повышает комфорт при длительном ношении.
Второй прототип — гибкий мозговой имплантат. Во время хирургической операции он остается твердым, что позволяет врачу точно и безопасно ввести его в мозг. После установки, под воздействием температуры тела, имплантат размягчается, минимизируя риск раздражения и воспаления окружающих тканей.
Потенциальные области применения технологии охватывают персональную электронику следующего поколения, передовые медицинские устройства и гибкую робототехнику. Совместимость чернил с распространенными производственными техниками, такими как трафаретная печать и нанесение покрытий погружением, открывает путь к их использованию в крупномасштабном производстве и в сфере 3D-печати электроники.
Результаты исследования были опубликованы 30 мая в журнале Science Advances. Соавтором работы является Чэ-Вун Чон, профессор электротехники из Корейского института передовых наук и технологий (KAIST).
Изображение носит иллюстративный характер
Основу чернил составляет галлий — металл, который остается твердым при комнатной температуре, но плавится при температуре чуть ниже температуры человеческого тела, а именно при 37°C (98.6°F). Микроскопические частицы галлия взвешены в гибкой полимерной матрице с использованием специального растворителя на основе полимера — диметилсульфоксида (DMSO). Такая композиция позволяет наносить чернила на поверхность с высокой точностью.
Технология решает ключевые проблемы использования галлия в печатной электронике, связанные с его высоким поверхностным натяжением и быстрым окислением, которое приводит к образованию твердой корки на частицах. Процесс активации схемы происходит в несколько этапов: после печати цепь подвергается легкому нагреву. Тепло заставляет растворитель DMSO разлагаться, создавая слабокислую среду. Эта кислота разрушает оксидную пленку на поверхности микрочастиц галлия.
Освобожденные от оксидной корки, частицы галлия плавятся и сливаются друг с другом, образуя непрерывные токопроводящие пути. Именно после этого первоначального нагрева материал становится проводником электричества. В ходе испытаний было установлено, что при нагревании материал становится более чем в 1400 раз мягче, чем в своем исходном твердом состоянии.
Новые чернила обеспечивают печать с высоким разрешением, позволяя создавать элементы схем размером всего 50 микрометров, что тоньше человеческого волоса. Эта возможность fabricating высокоточных схем при комнатной температуре является значительным преимуществом по сравнению с традиционными методами производства.
Разработка решает фундаментальную дилемму современной электроники. Устройства, как правило, либо жесткие (смартфоны), что обеспечивает высокую производительность, но исключает гибкость, либо мягкие (носимые датчики), что гарантирует комфорт, но сопряжено с компромиссами в производительности и сложностями в производстве. Технология с переменной жесткостью объединяет преимущества обоих подходов в одном устройстве.
Для демонстрации потенциала были созданы два рабочих прототипа. Первый — носимое медицинское устройство. При комнатной температуре оно сохраняет жесткость, обеспечивая прочность, но при контакте с кожей пользователя становится мягким, что значительно повышает комфорт при длительном ношении.
Второй прототип — гибкий мозговой имплантат. Во время хирургической операции он остается твердым, что позволяет врачу точно и безопасно ввести его в мозг. После установки, под воздействием температуры тела, имплантат размягчается, минимизируя риск раздражения и воспаления окружающих тканей.
Потенциальные области применения технологии охватывают персональную электронику следующего поколения, передовые медицинские устройства и гибкую робототехнику. Совместимость чернил с распространенными производственными техниками, такими как трафаретная печать и нанесение покрытий погружением, открывает путь к их использованию в крупномасштабном производстве и в сфере 3D-печати электроники.
Результаты исследования были опубликованы 30 мая в журнале Science Advances. Соавтором работы является Чэ-Вун Чон, профессор электротехники из Корейского института передовых наук и технологий (KAIST).
