Usando um processo de fabricação a laser de uma etapa, pesquisadores criaram microfios híbridos flexíveis que conduzem eletricidade. (a) Uma imagem de microscópio óptico dos microfios de prata (preto) e silicone (transparente). (b) Imagem de microscopia eletrônica de varredura da mesma estrutura fabricada. Ambas as barras de escala são iguais a 25 mícrons. Crédito:Mitsuhiro Terakawa, Universidade Keio
Pela primeira vez, pesquisadores usaram uma única etapa, método baseado em laser para produzir pequenos, microestruturas híbridas precisas de prata e silicone flexível. Esta tecnologia de processamento a laser inovadora pode um dia permitir fábricas inteligentes que usam uma linha de produção para produzir em massa dispositivos personalizados combinando materiais macios, como tecido de engenharia, com materiais duros que adicionam funções como detecção de glicose.
O componente metálico das microestruturas as torna eletricamente condutoras, enquanto o silicone elástico contribui com flexibilidade. Esta combinação única de propriedades torna as estruturas sensíveis à força mecânica e pode ser útil para fazer novos tipos de dispositivos ópticos e elétricos.
"Esses tipos de microestruturas podem ser usados para medir movimentos ou mudanças muito pequenas, como um leve movimento do corpo de um inseto ou a expressão sutil produzida por um músculo facial humano, "disse o líder da equipe de pesquisa Mitsuhiro Terakawa da Universidade Keio, Japão. "Essas informações podem ser usadas para criar versões geradas por computador perfeitas desses movimentos."
Conforme detalhado no jornal Optical Materials Express , da The Optical Society (OSA), os pesquisadores produziram estruturas semelhantes a fios de prata cercadas por um tipo de silicone conhecido como polidimetilsiloxano (PDMS). Os pesquisadores usaram PDMS porque é flexível e biocompatível, o que significa que é mais seguro usar no corpo.
Eles fabricaram as estruturas, que medem até 25 mícrons de largura, irradiando uma mistura de PDMS e íons de prata com pulsos de laser extremamente curtos que duram apenas femtossegundos. Em um femtossegundo, a luz viaja apenas 300 nanômetros, que é apenas ligeiramente maior do que a menor bactéria.
"Acreditamos ser o primeiro grupo a usar pulsos de laser de femtossegundos para criar um material híbrido contendo PDMS, que é muito útil por causa de sua elasticidade, "disse Terakawa." O trabalho representa um passo em direção ao uso de um único, tecnologia de processamento de laser de precisão para fabricar dispositivos biocompatíveis que combinam materiais duros e macios. "
Na foto, está a configuração ótica usada para criar microfios de prata-silicone com a condutividade elétrica de metal e a elasticidade de um polímero. Os pesquisadores usaram pulsos de laser de femtossegundo, que vem através da lente objetiva embaixo do palco, para criar as microestruturas. A fonte de luz LED é usada para monitorar a estrutura, que é exibido na tela do computador à direita. Observe que a fonte de luz brilhante acima do palco não é um laser de femtossegundo, mas uma luz LED para iluminação para o monitoramento. Crédito:Mitsuhiro Terakawa, Universidade Keio
Transformando dois processos de laser em um
O método de fabricação de uma etapa usado para fazer as microestruturas híbridas combina as reações químicas à base de luz conhecidas como fotopolimerização e fotoredução, ambos os quais foram induzidos usando pulsos de laser de femtossegundo. A fotopolimerização usa luz para endurecer um polímero, e a fotredução usa luz para formar microestruturas e nanoestruturas a partir de íons metálicos.
A técnica de fabricação resultou de uma colaboração entre o grupo de pesquisa de Terakawa, que tem estudado a fotredução de dois fótons usando materiais macios, e um grupo da organização de pesquisa alemã Laser Zentrum Hannover, que tem avançado a fotopolimerização de fóton único de PDMS.
Para criar as microestruturas de fio, os pesquisadores irradiaram a mistura de PDMS-prata com luz de laser de femtossegundo emitido a 522 nm, um comprimento de onda que interage de forma eficiente com a mistura de materiais. Eles também selecionaram cuidadosamente os íons de prata que combinariam bem com o PDMS.
Os pesquisadores descobriram que apenas uma varredura a laser formou fios que exibem a condutividade elétrica do metal e a elasticidade de um polímero. Varreduras adicionais podem ser usadas para produzir estruturas mais espessas e uniformes. Eles também mostraram que as estruturas de arame respondiam à força mecânica soprando ar sobre as estruturas para criar uma pressão de 3 quilopascal.
Os pesquisadores dizem que, além de fazer estruturas de fios, a abordagem poderia ser usada para fazer pequenas estruturas 3D de metal-silicone. Como uma próxima etapa, eles planejam estudar se os fios fabricados mantêm sua estrutura e propriedades ao longo do tempo.
"Nosso trabalho demonstra que a indução simultânea de fotredução e fotopolimerização é um método promissor para a fabricação de microestruturas elásticas e eletricamente condutoras, "disse Terakawa." Este é um passo em direção ao nosso objetivo de longo prazo de desenvolver uma fábrica inteligente para fabricar muitos dispositivos compatíveis com humanos em uma linha de produção, se os materiais são macios ou duros. "
