Voor de eerste keer, onderzoekers hebben een enkele stap gebruikt, op laser gebaseerde methode om kleine, precieze hybride microstructuren van zilver en flexibele siliconen. Deze innovatieve laserverwerkingstechnologie zou ooit slimme fabrieken in staat kunnen stellen die één productielijn gebruiken om op maat gemaakte apparaten in massa te produceren, waarbij zachte materialen zoals geconstrueerd weefsel worden gecombineerd met harde materialen die functies toevoegen zoals glucosedetectie.

De metalen component van de microstructuren maakt ze elektrisch geleidend, terwijl de elastische siliconen flexibiliteit bijdragen. Deze unieke combinatie van eigenschappen maakt de structuren gevoelig voor mechanische kracht en kan nuttig zijn voor het maken van nieuwe soorten optische en elektrische apparaten.

"Dit soort microstructuren kunnen mogelijk worden gebruikt om zeer kleine bewegingen of veranderingen te meten, zoals een lichte beweging van het lichaam van een insect of de subtiele uitdrukking geproduceerd door een menselijke gezichtsspier, " zei onderzoeksteamleider Mitsuhiro Terakawa van Keio University, Japan. "Deze informatie kan worden gebruikt om perfecte computergegenereerde versies van deze bewegingen te maken."

Zoals beschreven in het journaal Optische materialen Express , van The Optical Society (OSA), de onderzoekers produceerden draadachtige structuren van zilver omringd door een soort siliconen dat bekend staat als polydimethylsiloxaan (PDMS). De onderzoekers gebruikten PDMS omdat het flexibel en biocompatibel is, wat betekent dat het veiliger is om op of in het lichaam te gebruiken.

Ze maakten de constructies, die slechts 25 micron breed zijn, door een mengsel van PDMS en zilverionen te bestralen met extreem korte laserpulsen die slechts femtoseconden duren. In één femtoseconde, licht reist slechts 300 nanometer, die net iets groter is dan de kleinste bacterie.

"We denken dat we de eerste groep zijn die femtoseconde laserpulsen gebruikt om een ​​hybride materiaal te maken dat PDMS bevat, wat erg handig is vanwege zijn elasticiteit, " zei Terakawa. "Het werk is een stap in de richting van het gebruik van een enkele, precisielaserverwerkingstechnologie om biocompatibele apparaten te fabriceren die harde en zachte materialen combineren."

Twee laserprocessen in één veranderen

De fabricagemethode in één stap die wordt gebruikt om de hybride microstructuren te maken, combineert de op licht gebaseerde chemische reacties die bekend staan ​​​​als fotopolymerisatie en fotoreductie, die beide werden geïnduceerd met behulp van femtoseconde laserpulsen. Fotopolymerisatie gebruikt licht om een ​​polymeer uit te harden, en fotoreductie gebruikt licht om microstructuren en nanostructuren te vormen uit metaalionen.

De fabricagetechniek is het resultaat van een samenwerking tussen de onderzoeksgroep van Terakawa, die twee-foton fotoreductie bestudeerden met zachte materialen, en een groep bij de Duitse onderzoeksorganisatie Laser Zentrum Hannover, dat is het bevorderen van single-photon fotopolymerisatie van PDMS.

Om de draadmicrostructuren te maken, de onderzoekers bestraalden het PDMS-zilvermengsel met licht van een femtoseconde laser die uitstraalde op 522 nm, een golflengte die efficiënt interageert met het materiaalmengsel. Ze selecteerden ook zorgvuldig zilverionen die goed zouden combineren met PDMS.

De onderzoekers ontdekten dat slechts één laserscan draden vormde die zowel de elektrische geleidbaarheid van metaal als de elasticiteit van een polymeer vertonen. Aanvullende scans kunnen worden gebruikt om dikkere en meer uniforme structuren te produceren. Ze toonden ook aan dat de draadstructuren reageerden op mechanische kracht door lucht over de structuren te blazen om een ​​druk van 3 kilopascal te creëren.

De onderzoekers zeggen dat, naast het maken van draadstructuren, de aanpak zou kunnen worden gebruikt om kleine 3D-metaal-siliconenstructuren te maken. Als volgende stap, ze zijn van plan te onderzoeken of de gefabriceerde draden hun structuur en eigenschappen in de loop van de tijd behouden.

"Ons werk toont aan dat het gelijktijdig induceren van fotoreductie en fotopolymerisatie een veelbelovende methode is voor het vervaardigen van elastische en elektrisch geleidende microstructuren, " zei Terakawa. "Dit is een stap in de richting van ons langetermijndoel om een ​​slimme fabriek te ontwikkelen voor het fabriceren van veel menscompatibele apparaten in één productielijn, of de materialen nu zacht of hard zijn."