Drucken von flüssigen Metallen in dreidimensionalen Strukturen

In einer aktuellen Studie zu Materialwissenschaften und Nanomedizin entwickelten Young-Geun Park und Mitarbeiter der Abteilungen Nanowissenschaften, Nanomedizin und Materialwissenschaften und -technik in der Republik Korea einen unkonventionellen 3D-Druckansatz. Die Wissenschaftler entwickelten eine hochauflösende, rekonfigurierbare 3D-Druckstrategie, bei der flüssige Metalle zu dehnbaren 3D-Konstrukten verarbeitet wurden. Unter Verwendung dieser Technik bildeten sie eine minimale Linienbreite von 1,9 µm unter Verwendung von Direktdruck und gedruckten Mustern zur Rekonfiguration in verschiedene 3D-Strukturen unter Beibehaltung makelloser Auflösungen.

Sie führten viele Rekonfigurationen durch, um eine dünne Oxidgrenzfläche zu erzeugen und die elektrischen Eigenschaften des Materials unter Umgebungsbedingungen zu erhalten. Die freistehenden Merkmale könnten in dehnbaren, konformen Konfigurationen eingekapselt sein. Park demonstrierte Anwendungen in Form einer rekonfigurierbaren Antenne, die durch Ändern der Geometrie und reversibel bewegliche Verbindungen eingestellt werden kann, um die Konstrukte als mechanische Schalter zu verwenden. Die freistehenden 3D-Strukturen waren vorteilhaft, um die Anzahl und den Abstand zwischen den Verbindungen für eine höhere Integration zu minimieren, wie dies bei microLED-Arrays der Fall ist. Die Ergebnisse werden nun auf Science Advances veröffentlicht.

Fortschrittliche Technologien, die leitfähige 3D-Strukturen mit hoher Auflösung, hohen Aspektverhältnissen und minimalem Verschiebungsfehler bilden, sind wichtig, um die Integrität der Geräte zu verbessern. Die Deformierbarkeit von Geräten ist ein wichtiger Aspekt für die Freiformelektronik, einschließlich dehnbarer Elektronik, tragbarer Elektronik und soft Robotik. Diese elektronischen Geräte erfordern typischerweise eine Anpassung an bewegliche, willkürliche Formen wie Gelenke oder Arme oder die weichen Oberflächen lebender Organismen. Die Realisierung derartig dehnbarer Vorrichtungen mit herkömmlichen Materialien wie Silizium ist aufgrund ihrer Sprödigkeit eine Herausforderung. Materialwissenschaftler haben daher verschiedene leitfähige Materialien mit hervorragender Dehnbarkeit in Form von welligen dünnen Metallen, metallischen Netzwerken und elastomeren Verbundwerkstoffen entwickelt, die jedoch keine skalierbaren 3D-Strukturen bilden können. Darüber hinaus sind 3D-gedruckte und thermisch geglühte Metalle relativ steif und hart, wodurch weiche, gewebeähnliche Substrate beschädigt werden.

Im Vergleich dazu sind Flüssigmetalle wie die eutektische Gallium-Indium-Legierung (EGaIn) oder die Gallium-Indium-Zinn-Legierung (Galinstan) von Natur aus dehnbar, haben eine geringe Toxizität und eine minimale Flüchtigkeit für eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit – vergleichbar mit festen Metallen. Der direkte Tintendruck mit einer Düse kann bei Raumtemperatur freistehende 3D-Strukturen bilden, indem Tröpfchen aus flüssigem Metall aufeinander gestapelt werden. Die resultierende Auflösung ist jedoch nicht für den Bau elektronischer Geräte geeignet.

Im Versuchsaufbau haben Park et al. eine Düse mit einem Tintenreservoir oder Druckregler verbunden. Die Materialwissenschaftler verwendeten EGaIn (75,5 % Gallium und 24,5 % Indiumlegierung) als Tinte und kontrollierten den Abstand zwischen Düsenspitze und Polymersubstrat, um die Tinte zuzuführen.

Nach dem direkten Drucken von EGaIn durch eine Düse hoben die Wissenschaftler die Düsenspitze an, um sie an die gewünschte Position des Substrats zu bringen und den Druck fortzusetzen. Die Bruchenergie der Oxidhaut verband die Düsenspitze beim Abheben als “Seil”. Park et al. Die maximalen Geschwindigkeiten für verschiedene Durchmesser von Filamenten wurden gemessen, um verschiedene Beispiele zu zeigen, und es wurden 2D- und 3D-Merkmale mit wiederholbarer Rekonfiguration gebildet. Während des Rekonfigurationsprozesses konnten die Wissenschaftler ein vorgedrucktes Filament aufrecht von einem Substrat abheben, ohne das Konstrukt zu brechen. Die beobachteten stabilen Elektroden könnten einer elektrischen Last standhalten und zunehmend in elektrische Geräte integriert und miniaturisiert werden.

Wenn sie DC- oder AC-Vorspannung anlegen, um den elektrischen Durchschlag zu überwachen, steigt die Temperatur im Versuchsaufbau ebenfalls an, was sich auf die mechanische Stabilität der EGaIn 3D-Merkmale auswirkt. Die Konstrukte behielten ihre ursprüngliche freistehende 3D-Struktur ohne strukturellen Zusammenbruch 30 Minuten lang bei 500 °C bei. Nach wiederholtem Erwärmen und Abkühlen bei Raumtemperatur weist die Oxidhaut des 3D-Modells aufgrund der Wärmeausdehnung zwischen der Oxidhülle und dem EGaIn-Kern leichte Falten auf. Park et al. testete den elektrischen Kontakt von direkt gedruckten und rekonfigurierten flüssigen Metallen und maß die Abhängigkeit des Gesamtwiderstands von der Länge des gedruckten Kanals, um zu zeigen, dass der Widerstand von EGaIn-Mustern unter Umgebungsbedingungen mit der Zeit signifikant anstieg.

Als Beweis für das Prinzip der in der vorliegenden Arbeit entwickelten rekonfigurierbaren Elektronik haben Park et al. zeigten die Bildung einer rekonfigurierbaren Antenne mit der Fähigkeit, ihre Resonanzfrequenz und Strahlungseigenschaften durch Ändern ihrer Geometrie zu ändern. Dazu bildeten die Wissenschaftler auf einem Objektträger eine Doppelspulen-Antennenstruktur, indem sie EGaIn direkt bedruckten. Während der Rekonfiguration bildete EGaIn eine 3D-Brückenverbindung, deren Resonanzfrequenz die Wissenschaftler zuerst bestimmten, gefolgt von ihrer Verwendung zum selektiven Betreiben von drei verschiedenen Leuchtdioden (LEDs) mit roter, grüner und blauer Lichtemission. Die rekonfigurierbare, freistehende Verbindung behielt ihren Widerstand bei, um alle LEDs bei 3 V während des wiederholten Lösens und Verbindens mehrerer Rekonfigurationsschritte zuverlässig zu betreiben.

Die Wissenschaftler erwarten, dass die hochauflösende 3D-Rekonfigurationsmethode eine vielversprechende neue additive Fertigungsstrategie für hochintegrierte und dehnbare elektronische Geräte der nächsten Generation bietet.