Плоские и трехмерной печати проводящей краски

Целью данного эксперимента является демонстрация планарной и трехмерной печати проводящих микроэлектродов путем прямой правой сборки. Прямая правая сборка представляет собой метод осаждения, который состоит из управляемого компьютером трехосевого этапа перемещения, чернил, сопла и подачи воздуха. При этом методе печати высококонцентрированные краски выдавливаются через тонкое цилиндрическое сопло, диаметр которого варьируется от 0,1 до 250 микрон из-за характеристик вязкоэластичных чернил.

Прямая правая сборка позволяет создавать самонесущие промежуточные элементы. На сегодняшний день для этого подхода печати разработан широкий спектр красок, в том числе состоящих из керамики, органического металлического полимера и гелевых материалов. Основным преимуществом данной методики существующего сосуда, такой как прямая широкая сборка сложной высвобождающей структуры, является более быстрое, чем при использовании, хотя этот метод дает представление о проводящих чернилах для электронных и оптических электронных приложений, он также может быть применен к другим материальным системам, которые могут быть использованы для биомедицинских каркасов и датчиков.

Визуализация этой процедуры имеет решающее значение, потому что опыт в области радиологии и печати чернил сильно повлиял на качество печатных структур, демонстрируя эту процедуру после того, как я постдок и Аннализа Руссо, аспирант из моей лаборатории, «Чернила на основе наночастиц серебра» сначала растворяются путем растворения смеси акриловой кислоты с молекулярной массой 5 000 и 50 000 в смеси воды и диэтанола. Полимер действует как укупорочный агент для контроля размера наночастиц серебра. Далее введите в раствор полимера водный раствор нитрата серебра.

Смесь приобретет прозрачный светло-желтый цвет, продолжайте помешивать в течение 24 часов при комнатной температуре. После перемешивания раствор приобретает красновато-коричневый цвет. Это связано с образованием наночастиц серебра диаметром пять нанометров, что может быть подтверждено с помощью ПЭМ для дальнейшего роста частиц.

Обработайте раствор ультразвуком на водяной бане при температуре 65 градусов Цельсия в течение двух часов, после ультразвуковой обработки переложите раствор в стакан объемом 500 миллилитров, чтобы вызвать его до комнатной температуры, после вызова добавьте в раствор 300 миллилитров этанола. Поскольку этанол является плохим растворителем для укупорочных агентов, частицы быстро коагулируют и выпадают в осадок, теперь сцеживают супину и собирают осадок в центрифужной пробирке. Центрифугируйте осадок при 9 000 об/мин в течение 20 минут.

В результате получаются высококонцентрированные чернила на основе наночастиц серебра с содержанием твердых тел около 85% по весу. Для дальнейшего контроля вязкости и модуля упругости чернил разбавьте чернила в растворе увлажнителя, такого как этиленгликоль, а затем гомогенизируйте раствор со скоростью 2000 об/мин в течение трех минут с помощью смесителя для гомогенизации. Этот процесс разбавления и гомогенизации позволяет получить однородные голубоватые или пурпурные чернила.

На изображении ПЭМ представлены наночастицы серебра, полученные в результате этой процедуры синтеза. Частицы имеют средний диаметр 20 нанометров с распределением по размерам от пяти до 15 нанометров. Печатные структуры требуют постановки плаката на колени для повышения их проводимости.

После стояния на коленях при температуре 250 градусов Цельсия в течение менее 30 минут наночастицы серебра образуют проводящие микроэлектроды с удельным электрическим сопротивлением, приближающимся к 10 до минус пяти Ом сантиметров. Микроструктурная эволюция напечатанных серебряных микроэлектродов в зависимости от температуры на колене измеряется с помощью СЭМ. При повышении температуры со 150 градусов до 550 градусов Цельсия микроэлектроды подвергаются уплотнению с общей объемной усадкой около 30%.

Вязкость чернил увеличивается с увеличением нагрузки на твердые частицы, так как разбавление с низкой вязкостью приводит к значительному боковому растеканию концентрированных красок. При нагрузке твердых тел от 70 до 85 процент массы требуется для печати плоских и остовных чернильных нитей. Модуль упругости краски увеличивается с увеличением нагрузки на твердые тела в линейной вязкоупругой области.

Модуль упругости возрастает почти на три порядка. По мере поступления твердых частиц нагрузка увеличивается на 60-75 весовых процентов. Минимальный модуль упругости 2000 Паскалей требуется для создания самонесущих или остовных элементов.

Чтобы начать прямую правую сборку, загрузите чернила в цилиндр шприца. После прикрепления напыления, сопло монтирует корпус шприца, загруженного чернилами, на трехосевой печатный стол. Используйте компьютерную программу для создания интересующей вас конструкции, которая может представлять собой линейную планарную или сложную трехмерную структуру.

Далее высота носселя регулируется с помощью объектива телескопа с 10-кратным зумом. После подачи давления с помощью системы дозирования жидкости с воздушным приводом нанесите чернила на подложку при комнатной температуре, используя контролируемую скорость и давление печати. Эти переменные зависят от чернил, радиологии, сопла, диаметра и скорости печати.

Сопло с пятью микронами может печатать проводящие серебряные сетки с расстоянием между центрами линий 100 микрон на кремниевой подложке пластины. Использование сопла 30 микрон и послойная печать могут сделать цилиндрическую структуру с высоким соотношением сторон. Всенаправленная печать серебряных микроэлектродов между двумя стеклянными подложками возможна с помощью сопла 30 микрон.

Стеклянные подложки смещены на один миллиметр полностью, отдельно стоящие вертикально напечатанные серебряные микрошипы могут быть созданы с помощью сопла 30 микрон на силиконовой подложке пластины. Также возможна прямая запись на серебристые микроэлектроды с помощью сопла 10 микрон. Напечатанный элемент может охватывать расстояния до одного сантиметра с минимальным провисанием или изгибом.

Высококонцентрированные чернила на основе наночастиц серебра были напечатаны в качестве проводящих элементов в планарных и 3D-мотивах для электронных и оптоэлектронных приложений. Разрешение печати было от двух до 30 микрон. Минимальная ширина электрода около двух микрон и толщина 1,4 микрона была получена за один проход с использованием сопла размером в один микрон, схема сопла в пять микрон.

Прозрачные проводящие серебряные сетки на гибкой полиамидной пленке. Текст под сеткой оставался хорошо видимым. Эти металлические решетки могут служить альтернативой прозрачным проводящим оксидным материалам с высокой проводимостью.

Конформная печать 3D электрической малой антенны была возможна с помощью металлического сопла меандра размером 100 микрон. Линейные узоры печатались на поверхности стеклянной полусферы. Этот подход может найти несколько применений, включая имплантируемые и носимые антенны, электронику и датчики, применение охватывающих серебряных микроэлектродов в трехмерной фотовольта-среде и светодиоды.

Тонкая сферическая силиконовая оболочка толщиной в два микрона была скреплена проволокой, внешняя схема методом всенаправленной печати. Этот метод использует минимальное контактное давление, что очень выгодно для деликатных устройств. Также было напечатано связующее соединение для кремниевого массива солнечных микроэлементов, в котором элементы кремниевых микролент разделены зазором 33 микрона.

Были напечатаны серебряные межсоединения для светодиодной матрицы на основе арсенида галлия с четырьмя на четыре пикселя. Светодиодная матрица излучала равномерный красный свет при приложенном смещении в шесть вольт от одного пикселя. Возможность печати промежуточных электродов позволила обеспечить многослойное соединение без использования поддерживающих или жертвенных слоев.

В качестве финальной демонстрации сложная 3D-микропериодическая серебряная решетка печатается пятимикронным соплом с использованием последовательности послойной печати. После освоения эту технику можно сделать за пару часов, если выполнить ее должным образом. Используя эту процедуру, мы продемонстрировали синтез чернил для печати 1D-3D-структур и приложения, которые включают печатные электроды для электронных и оптоэлектронных устройств.

Текущая работа в нашей лаборатории в настоящее время сосредоточена на распространении этого подхода на биомедицинские приложения с использованием биосовместимых чернил. Мы печатаем трехмерные скаффолды и микрососудистые сети для тканевой инженерии и клеточных культур. Мы надеемся, что после просмотра этого видео вы лучше оцените нашу технику прямой правильной сборки.