Los ingenieros eléctricos de la Universidad de Duke han ideado una técnica totalmente impresa en el lugar para la electrónica que es lo suficientemente suave como para trabajar en superficies delicadas, como papel y piel humana. El avance podría permitir tecnologías como la alta adherencia, tatuajes electrónicos incrustados y vendajesengañado con biosensores específicos del paciente.
Las técnicas se describen en una serie de artículos publicados en línea el 9 de julio en la revista nanoescala y el 3 de octubre en el diario ACS Nano .
"Cuando las personas escuchan el término 'electrónica impresa', la expectativa es que una persona cargue un sustrato y los diseños para un circuito electrónico en una impresora y, un tiempo razonable después, retire un circuito electrónico completamente funcional", dijo Aaron Franklin, James L. y Elizabeth M. Vincent, Profesor Asociado de Ingeniería Eléctrica e Informática en Duke.
"A lo largo de los años ha habido una gran cantidad de trabajos de investigación que prometen este tipo de 'electrónica totalmente impresa', pero la realidad es que el proceso en realidad consiste en extraer la muestra varias veces para hornearla, lavarla o hacer girar los materiales de recubrimientosobre él ", dijo Franklin." La nuestra es la primera en la que la realidad coincide con la percepción pública ".
El concepto de los llamados tatuajes electrónicos se desarrolló por primera vez a finales de la década de 2000 en la Universidad de Illinois por John A. Rogers, quien ahora es el Profesor Louis Simpson y Kimberly Querrey de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Universidad Northwestern. En lugar de unverdadero tatuaje que se inyecta permanentemente en la piel, los tatuajes electrónicos de Rogers son parches de goma delgados y flexibles que contienen componentes eléctricos igualmente flexibles.
La película delgada se adhiere a la piel como un tatuaje temporal, y las primeras versiones de la electrónica flexible fueron hechas para contener monitores de actividad cardíaca y cerebral y estimuladores musculares. Mientras este tipo de dispositivos están en camino a la comercialización y fabricación a gran escala, hay algunos ámbitos en los que no son adecuados, como cuando se necesita la modificación directa de una superficie mediante la adición de componentes electrónicos personalizados.
"Para que la impresión directa o aditiva sea realmente útil, necesitará poder imprimir la totalidad de lo que esté imprimiendo en un solo paso", dijo Franklin. "Algunas de las aplicaciones más exóticas incluyen íntimamentetatuajes electrónicos conectados que podrían usarse para el etiquetado biológico o mecanismos de detección únicos, creación rápida de prototipos para dispositivos electrónicos personalizados sobre la marcha y diagnósticos basados en papel que podrían integrarse fácilmente en vendajes personalizados ".
En el artículo de julio, el laboratorio de Franklin y el laboratorio de Benjamin Wiley, profesor de química en Duke, desarrollaron una nueva tinta que contiene nanocables de plata que se pueden imprimir en cualquier sustrato a bajas temperaturas con una impresora de aerosol. Produce una película delgada quemantiene su conductividad sin ningún procesamiento adicional. Después de ser impresa, la tinta se seca en menos de dos minutos y retiene su alto rendimiento eléctrico incluso después de soportar una tensión de flexión del 50 por ciento más de mil veces.
En un video que acompaña al primer artículo, el estudiante graduado Nick Williams imprime dos cables activos electrónicamente a lo largo de la parte inferior de su dedo meñique. Hacia el final de su dedo, conecta los cables a una pequeña luz LED. Luego aplica un voltaje ala parte inferior de los dos cables impresos, lo que hace que el LED permanezca encendido incluso cuando se dobla y mueve el dedo.
En el segundo artículo, Franklin y el estudiante graduado Shiheng Lu llevan la tinta conductora un paso más allá y la combinan con otros dos componentes imprimibles para crear transistores funcionales. La impresora coloca primero una tira semiconductora de nanotubos de carbono. Una vez que se seca, ysin quitar el sustrato de plástico o papel de la impresora, se imprimen dos cables de nanocables plateados que se extienden varios centímetros desde cada lado. Luego se imprime una capa dieléctrica no conductora de un material bidimensional, nitruro de boro hexagonal, encima del originaltira semiconductora, seguida de un electrodo final de plata de nanocables.
Con las tecnologías actuales, al menos uno de estos pasos requeriría que se elimine el sustrato para un procesamiento adicional, como un baño químico para enjuagar el material no deseado, un proceso de endurecimiento para garantizar que las capas no se mezclen, o una cocción prolongada paraeliminar rastros de material orgánico que puedan interferir con los campos eléctricos.
Pero la impresión en el lugar de Franklin no requiere ninguno de estos pasos y, a pesar de la necesidad de que cada capa se seque por completo para evitar mezclar materiales, puede completarse a la temperatura de procesamiento general más baja informada hasta la fecha.
"Nadie pensó que la tinta en aerosol, especialmente para el nitruro de boro, ofrecería las propiedades necesarias para fabricar productos electrónicos funcionales sin ser horneados durante al menos una hora y media", dijo Franklin. "Pero no solo lo hicimos funcionar,demostramos que hornearlo durante dos horas después de la impresión no mejora su rendimiento. Fue tan bueno como podría ser simplemente usando nuestro proceso de impresión en el lugar ".
Franklin no ve que su método de impresión reemplace los procesos de fabricación a gran escala para dispositivos electrónicos portátiles. Pero sí ve un valor potencial para aplicaciones como la creación rápida de prototipos o situaciones en las que una talla única no sirve para todos.
"Piense en la creación de vendajes a medida que contengan componentes electrónicos como biosensores, donde una enfermera podría simplemente caminar hacia una estación de trabajo y marcar las características que se necesitan para un paciente específico", dijo Franklin. "Este es el tipo de impresión-la capacidad de demanda que podría ayudar a impulsar eso "
Este trabajo fue apoyado por el Programa de Investigación Médica Dirigida por el Congreso del Departamento de Defensa W81XWH-17-2-0045, los Institutos Nacionales de Salud 1R21HL141028 y la Fundación Nacional de Ciencias ECCS-1542015.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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