Los ingenieros eléctricos de la Universidad de Duke han ideado una técnica de impresión en el lugar para la electrónica que es lo suficientemente suave como para trabajar en superficies delicadas, como el papel y la piel humana. El avance podría permitir tecnologías como alta adherencia, tatuajes electrónicos incrustados y vendajes trucados con biosensores específicos para el 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 la revista ACS Nano .

"Cuando la gente escucha el término 'electrónica impresa, 'la expectativa es que una persona cargue un sustrato y los diseños de un circuito electrónico en una impresora y, algún tiempo razonable después, elimina un circuito electrónico completamente funcional, "dijo Aaron Franklin, el Profesor Asociado James L. y Elizabeth M. Vincent de Ingeniería Eléctrica e Informática en Duke.

"A lo largo de los años, ha habido una gran cantidad de artículos de investigación que prometen este tipo de 'electrónica totalmente impresa, 'pero la realidad es que el proceso en realidad implica sacar la muestra varias veces para hornearla, lavarlo o aplicar una capa de centrifugado sobre él, Franklin dijo. "La nuestra es la primera en la que la realidad coincide con la percepción del público".

El concepto de los llamados tatuajes electrónicos fue desarrollado 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 un verdadero tatuaje que se inyecta permanentemente en la piel, Los tatuajes electrónicos de Rogers son delgados, parches flexibles de caucho que contienen componentes eléctricos igualmente flexibles.

La fina película se adhiere a la piel como un tatuaje temporal, y las primeras versiones de la electrónica flexible se hicieron para contener monitores de actividad cardíaca y cerebral y estimuladores musculares. Si bien estos tipos de dispositivos están en camino de la comercialización y la fabricación a gran escala, hay algunas arenas en las que no se adaptan bien, como cuando se necesita la modificación directa de una superficie agregando 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 tatuajes electrónicos íntimamente conectados que podrían usarse para marcado biológico o mecanismos de detección únicos, creación rápida de prototipos para electrónica personalizada sobre la marcha, y diagnósticos en papel que podrían integrarse fácilmente en vendajes personalizados ".

En el periódico de julio, El laboratorio de Franklin y el laboratorio de Benjamin Wiley, profesor de química en Duke, desarrolló una tinta novedosa que contiene nanocables de plata que se pueden imprimir sobre cualquier sustrato a bajas temperaturas con una impresora de aerosol. Produce una película delgada que mantiene su conductividad sin ningún procesamiento adicional. Después de ser impreso, la tinta se seca en menos de dos minutos y conserva 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 pistas electrónicamente activas a lo largo de la parte inferior de su dedo meñique. Hacia la punta de su dedo, conecta los cables a una pequeña luz LED. Luego aplica un voltaje a la parte inferior de los dos cables impresos, haciendo 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 primero coloca una tira semiconductora de nanotubos de carbono. Una vez que se seque, y sin quitar el sustrato de plástico o papel de la impresora, Se imprimen dos conductores de nanoalambres de plata que se extienden varios centímetros de cada lado. Una capa dieléctrica no conductora de un material bidimensional, nitruro de boro hexagonal, luego se imprime en la parte superior de la tira de semiconductores original, seguido de un electrodo de puerta de nanocables de plata final.

Con las tecnologías actuales, al menos uno de estos pasos requeriría que se retire 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 un horneado prolongado para eliminar los restos 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 completamente para evitar mezclar materiales, se puede completar 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, entregaría las propiedades necesarias para fabricar dispositivos 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. Era tan bueno como podía serlo con solo utilizar nuestro proceso de impresión en el lugar ".

Franklin no cree que su método de impresión reemplace los procesos de fabricación a gran escala por dispositivos electrónicos portátiles. Pero sí ve un valor potencial para aplicaciones como la creación rápida de prototipos o situaciones en las que un tamaño no sirve para todos.

"Piense en crear vendajes a medida que contengan componentes electrónicos como biosensores, donde una enfermera podía simplemente caminar hasta una estación de trabajo y marcar qué funciones se necesitaban para un paciente específico, ", dijo Franklin." Este es el tipo de capacidad de impresión bajo demanda que podría ayudar a impulsar eso ".