0'dan 1'e bir atılım! MIT ekibi, iletken polimerlerin üretiminin "iyileştirilmesini" gerçekleştiriyor
3D baskı, tüm dünyada uzun zamandır popüler. Geleneksel üretim süreciyle karşılaştırıldığında, 3D baskı, cihaz yapısının daha yüksek hassasiyetini ve karmaşıklığını kolayca sağlayabilir. Ancak, cihazın yapısına dikkat etmenin yanı sıra, malzemenin 3 boyutlu baskı sürecinde benzersiz malzeme özelliklerini koruyup "ruh" bir cihaz haline gelmesini sağlamak da önemli bir araştırma yönüdür.
Kısa bir süre önce, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü Makine Mühendisliği Bölümü'nden Profesör Zhao Xuanhe liderliğindeki bir ekip, orijinal olarak sıvı olan iletken bir polimerden diş macunu benzeri bir 3D baskı ham maddesini başarıyla yaptı. 3D baskı işlemeyi gerçekleştirirken malzemenin orijinal iletkenliğini koruyor.
Zhao Xuanhe, DeepTech'e araştırmanın en büyük atılımının, iletken polimerlerin 3D baskısını gerçekleştiren iletken polimerler için yeni bir üretim yöntemi önermek olduğunu söyledi. Ek olarak, bu işleme yöntemi, önceki iletken polimer işleme yöntemine kıyasla hassasiyette önemli bir iyileşme sağlarken, üretim maliyetini ve işlem süresini birkaç büyüklük sırası kadar azaltır.
30 Mart'ta bu sonuç Nature Communications'da yayınlandı.
İletken "diş macunu" haline getirilmiş iletken "sıvı"
İletken polimerler, son yıllarda pek çok akademisyenin ilgisini çeken malzemelerdir, esneklik açısından plastiğe eşdeğerdir ve ayrıca metallere benzer iletken özelliklere sahiptirler. Bu benzersiz malzeme performansı, iletken polimerlerin çok çeşitli uygulama senaryolarına sahip olmasına izin verir, ancak şu anda bu malzemenin işleme ve üretim bağlantılarında bariz darboğazlar vardır.
Ekip, bu iletken polimerlerin dokunmatik ekranın yüzeyine kaplama olarak kolayca eşit şekilde püskürtülebileceğini söyledi. Bununla birlikte, mevcut üretim sürecinde yüksek hassasiyetli geniş alanlı iki boyutlu desenler elde etmek zordur ve karmaşık üç boyutlu yapıların 3D baskı yoluyla üretilmesi hiçbir zaman elde edilememiştir.
3D olarak basılabilen iletken bir polimer geliştirilirse, bu malzeme, beyin-bilgisayar arayüzlerinde kullanılan esnek devreler ve sinir elektrotları gibi çeşitli şekil ve yapılara sahip çok sayıda esnek elektronik cihazı yazdırmak için kullanılacaktır.
Şekil | Yazdırılan cihaz iletkenliği korur
Raporlara göre, iletken polimerler için mevcut işleme teknolojileri şunları içerir: elektron ışınlı litografi, mürekkep püskürtmeli baskı ve benzer serigrafi baskı yöntemleri.
Bu yöntemlerin sınırlamaları vardır: mürekkep püskürtmeli baskı ve serigrafi yalnızca düşük hassasiyetli iki boyutlu iletken polimer cihazları elde edebilir; elektron ışınıyla aşındırma yalnızca daha küçük ölçekli iki boyutlu cihazlar sağlayabilir ve maliyet yüksektir. Bu nedenle, bu aşamada, iletken polimerlerin üretimi ve işlenmesi, bu malzemenin daha da geliştirilmesi için önemli bir engeldir.
Üretim ve işleme sorunları, aynı zamanda Zhao Xuanhe'nin ekibi tarafından yapılan son araştırmada yapılan en kritik gelişmelerdir. Geçmişte, insanlar iletken polimerler yapmak için 3D baskıyı kullanmayı denemişlerdi, ancak sorun, iletken polimerin hazırlanmadan önce sıvı halde olmasıdır. "Ekstrüzyon ve akıp gitme" denen şey, orijinal şeklini koruyamaz. Başarılı bir 3D baskının ana nedeni.
3D baskıyı gerçekleştirmek için temel adım, baskı malzemeleri sorununu çözmektir. Zhao Xuanhe, "Sıvı iletken polimeri diş macununa dönüştürmeye eşdeğeriz." Dedi.
Ekip, çalışmada, genellikle koyu veya koyu mavi bir sıvı formunda yaygın olarak kullanılan iletken bir polimer olan poli 3,4-etilendioksitiyofen / polistiren sülfonatı (PEDOT: PSS) seçti. Nanolifler, malzemenin iletkenliğinin anahtarıdır.
Bu malzemeyi 3D yazıcıya baskı hammaddesi olarak göndermek için, ekibin kendi iletkenliğini değiştirmeden onu "kalınlaştırmanın" bir yolunu bulması gerekiyordu.
Önce suya benzer iletken polimeri dondurup kurutur, geride nanolifler ve diğer malzemeleri bırakırlar ve daha sonra kurutulmuş nanolifleri önceden geliştirilmiş su ve organik çözücülerle karıştırarak nanoliflerle bir tür hidrojel oluştururlar. tutkal.
Karşılaştırmadan sonra, hidrojeldeki nanoliflerin içeriği% 5 ile% 8 arasında olduğunda, malzemenin diş macunu benzeri, 3D baskı için hammadde olarak uygun ve çeşitli yüksek hassasiyetli, üç boyutlu hale geldiği bulunmuştur. Cihaz ve yapı aynı zamanda iletken polimerin kendisinin iletkenliğini korur.
Şekil | Nanofiberlerin içeriği farklıdır, malzemenin morfolojisi değişir
Bu yaklaşım, Zhao Xuanhenin ekibinin malzemenin yapısı ve performansına ilişkin benzersiz anlayışını yansıtıyor. "Sonunda, malzemenin dondurulması ve kurutulması sırasında, iletken polimerdeki nano liflerin bir araya gelip birbirleriyle etkileşime girdiğini keşfettik. Bu etki sonuçta 3D baskı mürekkebi olarak reolojik özellikler gerekli. Zhao Xuanhe açıkladı.
2D'den 3D'ye sıçrama atılımı
Çeşitli bileşenler oluşturmak için iletken polimerler kullanma sürecinde Zhao Xuanhe, 3D baskı kullanımının geleneksel işlemlere kıyasla doğruluğu, maliyeti ve işlem süresini önemli ölçüde artırabileceğini söyledi.
Raporlara göre, şu anda yaygın olarak kullanılan serigrafi ve mürekkep püskürtmeli baskı teknolojileri yalnızca iki boyutlu bileşenleri basabiliyor ve üç boyutlu çok malzemeli bileşenleri basamıyor; aynı zamanda bu iki üretim yöntemi, yaklaşık 100 mikron gibi düşük işleme doğruluğuna sahip. Buna karşılık, 3D baskı yöntemi doğruluğu on mikrometreden fazla artırabilir ve gelecekte bu doğrulukta daha fazla ilerleme olasılığı vardır; son olarak, zaman açısından, geleneksel işlem süresi birkaç saat hatta günler alabilir, ancak şimdi sadece ihtiyacı var Aynı cihaz onlarca dakikada yapılabilir.
Serigrafi ve mürekkep püskürtmeli baskıya ek olarak, iletken polimerlerin-elektron ışını aşındırma üretiminde yüksek hassasiyetli bir üretim yöntemi de vardır.
Bu yöntem, üretim doğruluğunu mikron seviyesine yükseltebilir, ancak karmaşık süreç ve ultra temiz odalara ihtiyaç nedeniyle maliyet çok yüksektir. Sinir sondasını bir örnek olarak alırsak, sinir sondasını aşındırarak üretmek binlerce veya on binlerce dolara mal olabilir. Zhao Xuanhe'nin ekibi tarafından önerilen yöntem, maliyetleri birkaç kat azaltabilir.
Bununla birlikte, Zhao Xuanhe, en kritik atılımın, 3B iletken polimerleri basmada 0'dan 1'e bir atılım elde etmek olduğunu vurguladı.
Sadece bu değil, bu 3D baskılı iletken polimerler, çok malzemeli bir 3D baskılı cihaz oluşturmak için 3D baskılı kauçuk veya diğer 3D baskılı polimerler dahil olmak üzere diğer 3D baskılı malzemelerle birleştirilebilir ve daha fazla uygulama olanağı gerçekleştirilebilir Seks.
3D baskılı esnek sinir elektrotları
Ekip, 3B baskılı iletken polimerin performansını doğrulamak için, malzemeyi, beyin-bilgisayar arayüzü uygulamalarında hayvanın beynini ve harici cihazları birbirine bağlayan bir sinir elektrodu olarak minik kauçuk benzeri bir elektrot yazdırmak için kullandı.En küçük kısmın genişliği sadece 10 mikron. Bu boyut, elektrodun tek bir nörondan elektrik sinyalleri almasını sağlar.
Ekip, farelerin beyinlerine elektrotlar yerleştirdi. Fareler serbestçe hareket ederken, nöral elektrotlar, bireysel nöronlardan elektrik sinyallerini başarıyla aldı. Bu sonuç, materyalin gelecekte beyin-bilgisayar arayüzlerinin pratik uygulamalarında nöral elektrotlar için mükemmel bir materyal olarak kullanılmasının beklendiğini kanıtlıyor.
Şekil | Sinir elektrodu
Beyin-bilgisayar arayüzü, beyin ve cihaz arasındaki bilgi alışverişini tamamlamak için insan veya hayvan beyni ile harici cihazlar arasında oluşturulan doğrudan bağlantı kanalını ifade eder.Bunlar arasında, istilacı beyin-bilgisayar arayüzü esas olarak özel hisleri (görme gibi) yeniden yapılandırmak için kullanılır. Ve felçli hastaların motor işlevi. Bu tür beyin-bilgisayar arayüzleri genellikle doğrudan beynin gri maddesine yerleştirilir.
Bununla birlikte, beyin insanlarda en kırılgan organlardan biridir ve beyin implantları genellikle metal ve diğer sert malzemelerden yapılır. Zamanla, sinyal kalitesinin bozulmasına ve hatta kaybolmasına ek olarak hasar, iltihaplanma ve bağışıklık tepkisine vb. Neden olabilir. , Beyin hasarının sonucu daha da kabul edilemez.
Zhao Xuanhenin ekibinin 3D baskı polimer teknolojisi, beynin şekline daha iyi uyması, beyinle daha uzun süre bağlantı kurması ve sert malzemelerin etkisini azaltması için beyin-bilgisayar arayüzünde kullanılabilen yumuşak bir sinir sondasını kolaylıkla yapabilir. Beyin dokusunun neden olduğu hasar.
Zhao Xuanhe, "Geleneksel olarak elektrotlar sert metallerdir. Titreşim oluştuğunda, bu metal elektrotlar beyin dokusuna zarar verebilir." Test sonuçları, sert metallerin yerine sinir elektrotları olarak esnek malzemeler kullanabileceğimizi gösteriyor.
"Aynı zamanda, bu prob metal elektrotlarla karşılaştırılabilir malzeme özelliklerini ve işlevlerini de koruyabilir." Zhao Xuanhe, 3D baskılı iletken polimerlerin biyoelektrik özelliklerinin ve sinirlerle temas halindeyken gösterilen elektriksel özelliklerin metalinkinden daha iyi olduğunu söyledi. daha iyi.
Zhao Xuanhe'nin görüşüne göre, en son araştırma sonuçlarına göre, sinir elektrotlarının üretimi, hem esnek hem de iletken olan malzemelerin avantajlarını yansıtan çok temsili bir uygulama senaryosudur.
Ancak bunun sadece materyalin performansını kanıtlamak için bir örnek olduğunu, bu araştırma çalışmasının ana yönü olmadığını ve beyin-bilgisayar arayüzünün bu materyalin tek uygulama senaryosu olmadığını vurguladı.
İletken polimer, çeşitli yüksek hassasiyetli, üç boyutlu cihazları ve yapıları 3D baskı yoluyla üretmek için kullanılabildiğinde, üç boyutlu devreler, üç boyutlu sensörler, üç boyutlu katalizörler ve üç boyutlu gibi iki boyutlu cihazlardan daha geniş uygulama olanaklarına sahiptir. İki boyutludan üç boyutluya akü elektrotları vb. Alanındaki atılımlar, gelecekte çeşitli cihazlar için daha fazla olanak sağlar.
