Nieuw onderzoek laat zien hoe inkjetprinttechnologie kan worden gebruikt voor massaproductie van elektronische circuits gemaakt van vloeibaar-metaallegeringen voor "zachte robots" en flexibele elektronica.

Elastische technologieën zouden een nieuwe klasse plooibare robots en rekbare kledingstukken mogelijk kunnen maken die mensen zouden kunnen dragen om te communiceren met computers of voor therapeutische doeleinden. Echter, er moeten nieuwe fabricagetechnieken worden ontwikkeld voordat zachte machines commercieel haalbaar worden, zei Rebecca Kramer, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Purdue University.

"We willen rekbare elektronica maken die mogelijk compatibel is met zachte machines, zoals robots die zich door kleine ruimtes moeten wringen, of draagbare technologieën die de beweging niet beperken, "zei ze. "Geleiders gemaakt van vloeibaar metaal kunnen uitrekken en vervormen zonder te breken."

Een nieuwe potentiële productiebenadering is gericht op het benutten van inkjetprinten om apparaten te maken die zijn gemaakt van vloeibare legeringen.

"Dit proces stelt ons nu in staat om flexibele en rekbare geleiders op alles te printen, inclusief elastische materialen en stoffen, ' zei Kramer.

Een onderzoekspaper over de methode verschijnt op 18 april in het tijdschrift Geavanceerde materialen . Het papier introduceert in het algemeen de methode, mechanisch gesinterde gallium-indium nanodeeltjes genoemd, en beschrijft onderzoek voorafgaand aan het project. Het is geschreven door postdoctoraal onderzoeker John William Boley, afgestudeerde student Edward L. White en Kramer.

Een bedrukbare inkt wordt gemaakt door het vloeibare metaal te dispergeren in een niet-metalen oplosmiddel met behulp van ultrageluid, die het bulk vloeibare metaal opsplitst in nanodeeltjes. Deze met nanodeeltjes gevulde inkt is compatibel met inkjetprinten.

"Vloeibaar metaal in zijn oorspronkelijke vorm is niet geschikt voor inkjetprinters, "Zei Kramer. "Dus wat we doen, is nanodeeltjes van vloeibaar metaal maken die klein genoeg zijn om door een inkjetmondstuk te gaan. Sonicating vloeibaar metaal in een drageroplosmiddel, zoals ethanol, beide creëren de nanodeeltjes en verspreiden ze in het oplosmiddel. Dan kunnen we de inkt op elk substraat printen. De ethanol verdampt, dus we blijven alleen achter met vloeibare metalen nanodeeltjes op een oppervlak."

Na het afdrukken, de nanodeeltjes moeten worden samengevoegd door lichte druk uit te oefenen, waardoor het materiaal geleidend wordt. Deze stap is nodig omdat de vloeibaar-metalen nanodeeltjes aanvankelijk worden gecoat met geoxideerd gallium, die fungeert als een huid die elektrische geleiding voorkomt.

"Maar het is een kwetsbare huid, dus als je druk uitoefent, breekt de huid en alles smelt samen tot één uniforme film, "Zei Kramer. "We kunnen dit doen door te stampen of door iets over het oppervlak te slepen, zoals de scherpe rand van een siliconenpunt."

De aanpak maakt het mogelijk om te selecteren welke delen moeten worden geactiveerd, afhankelijk van bepaalde ontwerpen, wat suggereert dat een blanco film zou kunnen worden vervaardigd voor een groot aantal mogelijke toepassingen.

"We activeren selectief welke elektronica we willen inschakelen door druk uit te oefenen op alleen die gebieden, " zei Kramer, die dit jaar een Early Career Development Award ontving van de National Science Foundation, die onderzoek ondersteunt om te bepalen hoe de vloeibaar-metaalinkt het beste kan worden ontwikkeld.

Het proces zou het mogelijk kunnen maken om snel grote hoeveelheden van de film in massa te produceren.

Toekomstig onderzoek zal onderzoeken hoe de interactie tussen de inkt en het oppervlak waarop wordt geprint, bevorderlijk kan zijn voor de productie van specifieke soorten apparaten.

"Bijvoorbeeld, hoe oriënteren de nanodeeltjes zich op hydrofobe versus hydrofiele oppervlakken? Hoe kunnen we de inkt formuleren en de interactie ervan met een oppervlak benutten om zelfassemblage van de deeltjes mogelijk te maken?" zei ze.

De onderzoekers zullen ook bestuderen en modelleren hoe individuele deeltjes scheuren wanneer er druk op wordt uitgeoefend, het verstrekken van informatie die de vervaardiging van ultradunne sporen en nieuwe soorten sensoren mogelijk zou kunnen maken.