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    Impressão de metais líquidos em estruturas tridimensionais

    Usando a técnica de impressão 3-D para reconfigurar uma antena quadrada em espiral. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw2844

    Em um estudo recente sobre ciência de materiais e nanomedicina, Young-Geun Park e colegas de trabalho nos departamentos de Nanociência, Nanomedicina e Ciência e Engenharia de Materiais na República da Coréia desenvolveram uma abordagem de impressão 3D não convencional. Os cientistas projetaram um dispositivo de alta resolução, estratégia de impressão 3-D reconfigurável usando metais líquidos para formar esticável, Construções 3-D. Usando a técnica, eles formaram uma largura de linha mínima de 1,9 µm usando impressão direta e padrões impressos para reconfiguração em diversas estruturas 3-D, mantendo as resoluções originais.

    Eles realizaram reconfigurações muitas vezes para gerar uma interface de óxido fino e preservar as propriedades elétricas do material sob as condições ambientais. Os recursos independentes podem ser encapsulados em expansíveis, configurações conformes. Park et al. aplicações demonstradas na forma de antena reconfigurável, ajustável mudando geometrias e interconexões reversivelmente móveis para usar as construções como interruptores mecânicos. As estruturas 3-D independentes foram vantajosas para minimizar o número e o espaço entre as interconexões para maior integração, como visto com matrizes microLED. Os resultados agora são publicados em Avanços da Ciência .

    Tecnologias avançadas que formam estruturas condutoras 3-D com alta resolução, relações de aspecto altas e erro mínimo de deslocamento são importantes para aumentar a integridade do dispositivo. A deformabilidade do dispositivo é uma consideração chave para eletrônicos de forma livre, incluindo eletrônicos extensíveis, eletrônicos vestíveis, atuadores macios e robótica. Esses dispositivos eletrônicos normalmente requerem conformação com móveis, formas arbitrárias, como articulações ou braços, ou as superfícies macias de organismos vivos. A realização de tais dispositivos extensíveis com materiais convencionais, como o silício, é um desafio devido à sua fragilidade. Os cientistas de materiais desenvolveram diversos materiais condutores com excelente elasticidade na forma de metais finos ondulados, redes metálicas e compósitos elastoméricos, ainda assim, esses processos são incapazes de formar estruturas 3-D escaláveis. Além disso, 3-D impresso, e metais recozidos termicamente são relativamente duros e rígidos, causando danos ao material macio, substratos semelhantes a tecidos.

    Impressão de alta resolução de metais líquidos. (A) Ilustração esquemática de um sistema de impressão. (B) Imagem SEM de padrões EGaIn 2D e 3D de alta resolução. Barra de escala, 100 μm. Detalhe:imagem SEM ampliada das estruturas 3D. Barra de escala, 100 μm. (C) imagem AFM e perfil transversal da linha EGaIn impressa. Barra de escala, 2 μm. (D) Imagem SEM de padrões EGaIn de 1,9 μm de largura. Barra de escala, 10 μm. (E) Imagem SEM de padrões 3D de EGaIn em um filme PET e epóxi (SU-8). Barra de escala, 10 μm. (F) Fotografia de padrões EGaIn impressos em alta resolução em (B). Barra de escala, 1 cm. (G) Fotografia de padrões de interconexão de EGaIn. Detalhe:fotografia de vista superior. Barras de escala, 5 mm. (H) Micrografias ópticas de linhas EGaIn impressas de acordo com as velocidades de impressão. Barra de escala, 40 μm. (I) O gráfico de larguras de linha versus velocidades de impressão. (J) O gráfico das larguras das linhas em relação aos diâmetros internos dos bicos. Barras de erro em (I) e (J) indicam o SD. (Foto:Young-Geun Park, Universidade Yonsei). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw2844

    Comparativamente, metais líquidos, como liga eutética de gálio-índio (EGaIn) ou liga de gálio-índio-estanho (Galinstan) são intrinsecamente esticáveis, com baixa toxicidade e volatilidade mínima para excelente condutividade elétrica - comparável aos metais sólidos. A impressão direta com tinta com um bico pode formar estruturas 3-D independentes em temperatura ambiente, empilhando gotículas de metal líquido umas sobre as outras, mas a resolução resultante não é adequada para construir dispositivos eletrônicos. No presente trabalho, portanto, Park et al. relatam um método de impressão de alta resolução com metal líquido para sua reconfiguração direta em padrões de eletrodo 3-D através de um bico, sob condições ambientais.

    Na configuração experimental, Park et al. conectou um bico a um reservatório de tinta ou controlador de pressão. Os cientistas de materiais usaram EGaIn (75,5 por cento de gálio e 24,5 por cento de liga de índio por peso) como a tinta e controlaram a distância entre a ponta do bico e o substrato de polímero para fornecer a tinta. Usando microscopia eletrônica de varredura (SEM), eles viram o padrão EGaIn impresso com geometrias 2-D e 3-D complexas e usaram a técnica para imprimir padrões mais diversos, como interconexões de circuitos elétricos com alta resolução.

    Reconfiguração do EGaIn impresso na obra. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw2844

    Depois de imprimir diretamente EGaIn através de um bico, os cientistas levantaram a ponta do bico para realocá-la na posição desejada do substrato para continuar a impressão. A energia de fratura da pele de óxido conectou a ponta do bico como uma "corda" durante a decolagem. Park et al. mediu as velocidades máximas para diferentes diâmetros de filamentos para demonstrar diferentes exemplos e formaram recursos 2-D e 3-D com reconfiguração repetível. Durante o processo de reconfiguração, os cientistas conseguiram retirar um filamento pré-impresso na vertical de um substrato sem fraturar o construto. Os eletrodos estáveis ​​observados poderiam suportar carga elétrica para se tornarem cada vez mais integrados e miniaturizados em dispositivos elétricos. Para verificar a adequação dos eletrodos EGaIn como interconexões, Park et al. conduziram testes de colapso elétrico depois disso.

    O contato elétrico de metais líquidos impressos diretamente e reconfigurados. (A) Ilustrações esquemáticas de impressão direta (esquerda) e reconfiguração (direita). (B) Dependência da resistência total do comprimento do canal. Barras de erro representam o SD. (C) Características de tensão de corrente entre pads Ag e EGaIn impresso diretamente. (D) Características de corrente-tensão entre pads Ag e EGaIn reconfigurado. (E e F) Imagens SEM de EGaIn em uma almofada Ag após 7 horas de impressão direta. (G e H) Imagens SEM de EGaIn após 7 horas de reconfiguração. Barras de escala, 200 μm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw2844

    Quando eles aplicaram polarização DC ou AC para monitorar falhas elétricas, a temperatura também aumentou na configuração experimental afetando a estabilidade mecânica dos recursos EGaIn 3-D. Os construtos mantiveram sua estrutura 3-D autônoma inicial sem colapso estrutural em 500 0 C por 30 minutos. Após aquecimento e resfriamento repetidos em temperatura ambiente, a película de óxido do 3-D apresenta-se ligeiramente enrugada devido à expansão térmica entre a camada de óxido e o núcleo de EGaIn. Park et al. testou o contato elétrico de metais líquidos impressos diretamente e reconfigurados e mediu a dependência da resistência total no comprimento do canal impresso para mostrar que a resistência dos padrões EGaIn aumentou significativamente com o tempo nas condições ambientais.

    Como uma prova de princípio da eletrônica reconfigurável desenvolvida no presente trabalho, Park et al. demonstraram a formação de uma antena reconfigurável com capacidade de modificar sua frequência de ressonância e propriedades de radiação, alterando sua geometria. Por esta, os cientistas formaram uma estrutura de antena de bobina dupla em uma lâmina de vidro imprimindo diretamente EGaIn. Durante a reconfiguração, EGaIn formou uma interconexão em ponte 3-D, cuja frequência de ressonância os cientistas determinaram primeiro, seguido por seu uso para operar seletivamente três diodos emissores de luz (LEDs) diferentes com vermelho, emissões de luz verde e azul. O reconfigurável, A interconexão independente manteve sua resistência para operar de forma confiável todos os LEDs a 3 V durante a desconexão repetida e a conexão de várias etapas de reconfiguração.

    ESQUERDA:reconfiguração 3D de metais líquidos para eletrônicos. (A) Ilustrações esquemáticas da antena reconfigurável. (B) Ilustrações esquemáticas de duas antenas concêntricas (parte superior) e a imagem SEM da região desconectada (parte inferior). Barra de escala, 300 μm. (C) Ilustrações esquemáticas de duas antenas concêntricas que são conectadas eletricamente (parte superior) e a imagem SEM de linhas conectadas por reconfiguração (parte inferior). Barra de escala, 300 μm. (D) Parâmetros de espalhamento medidos da antena impressa nos estados desconectado e conectado. (E) Ilustrações esquemáticas do processo de reconfiguração para comutação dinâmica de LEDs. (F) Imagem SEM colorida de três pixels de LED e interconexões EGaIn. O vermelho, verde, azul, e as cores amarelas correspondem ao vermelho, verde, e LEDs azuis e EGaIn, respectivamente. Barra de escala, 1 mm. (G) Fotografia de três pixels de LED e interconexões EGaIn. Barra de escala, 1 mm. (H) Ilustrações esquemáticas de reconfiguração e fotografias do funcionamento do LED. Barras de escala, 5 mm. (Foto:Young-Geun Park, Universidade Yonsei). À DIREITA:Matriz MicroLED com interconexões 3D de metal líquido. (A) Ilustração esquemática da matriz microLED com interconexões 3D reconfiguradas. (B) Imagem SEM colorida da matriz microLED e interconexões EGaIn. As cores azul e amarelo correspondem a microLED e EGaIn, respectivamente. Barra de escala, 300 μm. (C) Imagem SEM colorida de interconexões 3D. As cores azul e amarelo correspondem ao microLED e EGaIn, respectivamente. Barra de escala, 300 μm. (D) Fotografias da emissão de luz do arranjo microLED. Barras de escala, 1 cm. (E) Características de corrente-tensão de microLED com interconexões reconfiguradas sob condição plana ou dobrada. (Foto:Young-Geun Park, Universidade Yonsei). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw2844

    As interconexões 3-D independentes formadas usando o processo de reconfiguração foram vantajosas para construir geometrias cruzadas em um único plano XY, em vez de usar várias camadas para evitar contato elétrico indesejado. Por esta, Park et al. demonstraram interconexões transversais e longitudinais de EGaIn para uma matriz 4 x 4 de microLEDs em um filme de polímero flexível para evitar curto-circuito. Usando o método, Park et al. minimizou o número de interconexões integradas em um dispositivo em miniatura, já que o padrão 3-D pode minimizar com eficiência o número e o espaço das interconexões.

    Desta maneira, Young-Geun Park e colegas de trabalho demonstraram a impressão 3-D de alta resolução usando metal líquido e mostraram sua aplicação para integrações 3-D extensíveis que são difíceis de alcançar com a engenharia convencional. Em comparação com as técnicas de impressão 3-D existentes, este método pode formar bem, estruturas 3-D independentes de eletrodos com padrões reconfiguráveis. Como um exemplo, Park et al. projetou uma antena reconfigurável capaz de modificar sua frequência de ressonância por meio de mudanças geométricas. Eles também apresentavam interconexões 3-D reversivelmente móveis como interruptores mecânicos que poderiam facilitar uma integração mais compacta em dispositivos miniaturizados. Os cientistas esperam que o método de reconfiguração 3D de alta resolução ofereça uma nova estratégia de manufatura aditiva promissora para dispositivos eletrônicos de próxima geração altamente integrados e extensíveis.

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