En un estudio reciente sobre ciencia de materiales y nanomedicina, Young-Geun Park y colaboradores de los departamentos de Nanociencia, La nanomedicina y la ciencia e ingeniería de materiales en la República de Corea desarrollaron un enfoque de impresión 3D poco convencional. Los científicos diseñaron un estrategia de impresión tridimensional reconfigurable que utiliza metales líquidos para formar Construcciones 3-D. Usando la técnica, formaron un ancho de línea mínimo de 1,9 µm utilizando impresión directa y patrones impresos para la reconfiguración en diversas estructuras 3-D manteniendo resoluciones impecables.

Realizaron reconfiguraciones muchas veces para generar una interfaz de óxido delgada y preservar las propiedades eléctricas del material en condiciones ambientales. Las características independientes se pueden encapsular en estirable, configuraciones conformes. Park y col. Aplicaciones demostradas en forma de antena reconfigurable, sintonizable cambiando geometrías e interconexiones móviles reversibles para usar las construcciones como interruptores mecánicos. Las estructuras tridimensionales independientes fueron ventajosas para minimizar el número y el espacio entre las interconexiones para una mayor integración, como se ve con matrices microLED. Los resultados ahora se publican en Avances de la ciencia .

Tecnologías avanzadas que forman estructuras conductoras 3-D con alta resolución, Las relaciones de aspecto altas y el mínimo error de desplazamiento son importantes para aumentar la integridad del dispositivo. La deformabilidad del dispositivo es una consideración clave para la electrónica de forma libre, incluida la electrónica extensible, electrónica portátil, actuadores suaves y robótica. Estos dispositivos electrónicos generalmente requieren conformación con dispositivos móviles, formas arbitrarias como articulaciones o brazos, o las superficies blandas de los organismos vivos. La realización de estos dispositivos extensibles con materiales convencionales como el silicio es un desafío debido a su fragilidad. Por lo tanto, los científicos de materiales han desarrollado diversos materiales conductores con excelente capacidad de estiramiento en forma de metales delgados ondulados, redes metálicas y compuestos elastoméricos, sin embargo, estos procesos no pueden formar estructuras 3D escalables. Además, Impreso en 3-D, y los metales recocidos térmicamente son relativamente rígidos y causan daño a los blandos, sustratos similares a tejidos.

Relativamente, Los metales líquidos como la aleación eutéctica de galio-indio (EGaIn) o la aleación de galio-indio-estaño (Galinstan) son intrínsecamente estirables, con baja toxicidad y mínima volatilidad para una excelente conductividad eléctrica, comparable a los metales sólidos. La impresión directa con tinta con una boquilla puede formar estructuras tridimensionales independientes a temperatura ambiente al apilar gotitas de metal líquido unas sobre otras, pero la resolución resultante no es adecuada para construir dispositivos electrónicos. En el presente trabajo, por lo tanto, Park y col. reportar un método de impresión de alta resolución con metal líquido para su reconfiguración directa en patrones de electrodos 3-D a través de una boquilla, en condiciones ambientales.

En la configuración experimental, Park y col. conectado una boquilla a un depósito de tinta o controlador de presión. Los científicos de materiales utilizaron EGaIn (75,5 por ciento de galio y 24,5 por ciento de aleación de indio en peso) como tinta y controlaron la distancia entre la punta de la boquilla y el sustrato de polímero para distribuir la tinta. Usando microscopía electrónica de barrido (SEM), vieron el patrón EGaIn impreso con geometrías complejas en 2-D y 3-D y utilizaron la técnica para imprimir patrones más diversos, como interconexiones de circuitos eléctricos, con alta resolución.

Después de imprimir directamente EGaIn a través de una boquilla, los científicos levantaron la punta de la boquilla para su reubicación en la posición deseada del sustrato para continuar imprimiendo. La energía de fractura de la piel de óxido conectó la punta de la boquilla como una "cuerda" durante el despegue. Park y col. midió las velocidades máximas para diferentes diámetros de filamentos para demostrar diferentes ejemplos y formó características 2-D y 3-D con reconfiguración repetible. Durante el proceso de reconfiguración, los científicos pudieron levantar un filamento preimpreso en posición vertical de un sustrato sin fracturar la construcción. Los electrodos estables observados podrían soportar la carga eléctrica para integrarse y miniaturizarse cada vez más en los dispositivos eléctricos. Para verificar la idoneidad de los electrodos EGaIn como interconexiones, Park y col. Posteriormente realizó pruebas de avería eléctrica.

Cuando aplicaron polarización de CC o CA para monitorear la falla eléctrica, la temperatura también aumentó en la configuración experimental afectando la estabilidad mecánica de las características EGaIn 3-D. Las construcciones mantuvieron su estructura tridimensional independiente inicial sin colapso estructural en 500 ⁰ C durante 30 minutos. Después de calentar y enfriar repetidamente a temperatura ambiente, la capa de óxido de la característica 3-D está ligeramente arrugada debido a la expansión térmica entre la capa de óxido y el núcleo de EGaIn. Park y col. probaron el contacto eléctrico de metales líquidos impresos directamente y reconfigurados y midieron la dependencia de la resistencia total en la longitud del canal impreso para mostrar que la resistencia de los patrones de EGaIn aumentaba significativamente con el tiempo en condiciones ambientales.

Como prueba de principio de la electrónica reconfigurable desarrollada en el presente trabajo, Park y col. demostró la formación de una antena reconfigurable con capacidad para modificar su frecuencia de resonancia y propiedades de radiación cambiando su geometría. Para esto, los científicos formaron una estructura de antena de doble bobina en un portaobjetos de vidrio imprimiendo directamente EGaIn. Durante la reconfiguración, EGaIn formó una interconexión puenteada 3-D, cuya frecuencia de resonancia los científicos determinaron por primera vez, seguido de su uso para operar selectivamente tres diodos emisores de luz (LED) diferentes con rojo, Emisiones de luz verde y azul. Lo reconfigurable, La interconexión independiente mantuvo su resistencia para operar de manera confiable todos los LED a 3 V durante la desconexión repetida y la conexión de múltiples pasos de reconfiguración.

Las interconexiones 3D independientes formadas mediante el proceso de reconfiguración fueron ventajosas para construir geometrías cruzadas en un solo plano XY, en lugar de utilizar varias capas para evitar así el contacto eléctrico no deseado. Para esto, Park y col. demostraron interconexiones transversales y longitudinales de EGaIn para una matriz de 4 x 4 microLED en una película de polímero flexible para evitar cortocircuitos. Usando el método, Park y col. minimizó el número de interconexiones integradas en un dispositivo en miniatura, ya que el patrón 3-D podría minimizar eficientemente el número y el espacio de interconexiones.

De este modo, Young-Geun Park y sus colaboradores hicieron una demostración de la impresión 3D de alta resolución con metal líquido y mostraron su aplicación para integraciones 3D extensibles que son difíciles de lograr con la ingeniería convencional. En comparación con las técnicas de impresión 3D existentes, este método puede formar bien, Estructuras tridimensionales independientes de electrodos con patrones reconfigurables. Como ejemplo, Park y col. diseñó una antena reconfigurable capaz de modificar su frecuencia de resonancia a través de cambios geométricos. También presentaron interconexiones 3D móviles reversibles como interruptores mecánicos que podrían facilitar una mayor integración compacta en dispositivos miniaturizados. Los científicos esperan que el método de reconfiguración 3D de alta resolución ofrezca una nueva y prometedora estrategia de fabricación aditiva para dispositivos electrónicos de próxima generación altamente integrados y extensibles.

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