Os pesquisadores desenvolveram uma técnica de impressão a jato de tinta que pode ser usada para imprimir componentes ópticos, como guias de onda. Como a abordagem de impressão também pode fabricar eletrônicos e microfluídicos, pode desenvolver uma variedade de dispositivos, como sensores ópticos usados ​​para monitoramento de saúde e dispositivos lab-on-a-chip que integram e automatizam várias funções de laboratório em um pequeno circuito, ou chip.

"A impressão a jato de tinta é um método muito atraente para a fabricação de componentes ópticos porque as posições e os tamanhos das características podem ser facilmente modificados e praticamente não há desperdício de material, "disse Fabian Lütolf, membro da equipe de pesquisa liderada por Rolando Ferrini no CSEM na Suíça. "Contudo, a tensão superficial das tintas torna difícil imprimir linhas com uma altura específica, que é necessário para criar um guia de ondas. "

A impressão a jato de tinta é uma técnica de manufatura aditiva que usa bicos minúsculos como os encontrados em impressoras a jato de tinta de mesa para depositar um padrão de gotas gerado por computador (a "tinta") em um substrato para construir uma estrutura. Os pesquisadores descobriram que depositar a tinta em duas etapas, em vez da etapa única tradicional, possibilitou a impressão de linhas com uma altura específica e com recursos muito mais suaves do que seria possível de outra forma. As estruturas impressas são consideradas como tendo 2,5 dimensões porque embora não sejam planas, sua complexidade é limitada em comparação com as estruturas criadas com a impressão 3D tradicional.

No jornal The Optical Society (OSA) Optics Express , os pesquisadores mostram que sua técnica pode ser usada para imprimir guias de ondas ópticas 2,5D e cones feitos de polímero acrílico. O conceito de impressão também pode ser usado com outros materiais, como tintas metálicas, para fazer eletrônicos ou misturas de sacarose para aplicações biodegradáveis.

Lütolf destaca que embora a impressão de eletrônicos já seja usada comercialmente, imprimir microfluídica é mais desafiador e propenso aos mesmos problemas que os guias de onda. "O fato de nossa abordagem permitir que componentes com múltiplas funcionalidades sejam fabricados com uma única impressora abre caminho para a fabricação aditiva de circuitos integrados inteiros em chips, "disse Lütolf." Isso significa que os componentes ópticos podem ser adicionados à eletrônica híbrida flexível e que os componentes optoeletrônicos, como fontes de luz ou detectores, podem ser integrados em circuitos ópticos impressos. "

Transformando um problema em solução

Por causa da tensão superficial, as tintas depositadas em um substrato tendem a inchar ou rachar. O depósito da tinta em duas etapas permitiu aos pesquisadores transformar a tensão superficial do líquido em uma vantagem. Depois de depositar uma série de gotas, a tinta impressa na segunda etapa busca minimizar sua energia de superfície por meio do auto-alinhamento entre as gotas da primeira impressão. Ao contrário das abordagens anteriores de impressão a jato de tinta, os pesquisadores não tiveram que pré-padronizar o substrato, o que aumenta o espaço de design disponível e simplifica a fabricação.

Para realizar a nova técnica, uma série de gotas chamadas de tampas de fixação são impressas primeiro. Essas tampas esféricas fixam pontes líquidas formadas pela tinta da segunda impressão, formando uma configuração que imobiliza a tinta e evita a formação de saliências na linha impressa. Além de fazer linhas retas entre dois pontos, a técnica pode ser usada para conectar três ou mais junções para fazer cantos ou arestas vivas.

A nova técnica oferece várias vantagens sobre a fotolitografia clássica, que normalmente é usado para fazer componentes minúsculos em chips. "A impressão a jato de tinta não requer uma máscara física como a fotolitografia e é mais fácil de conectar os componentes, "disse Lütolf." Além disso, se você quiser apenas testar uma ideia rapidamente ou variar um parâmetro, os métodos de manufatura aditiva, como a impressão a jato de tinta, exigem apenas a adaptação do design digital. "

Para avaliar o novo método de impressão, os pesquisadores criaram um guia de ondas de polímero com 120 mícrons de largura e 31 mícrons de altura, com um cone que permitia que a luz de uma fonte externa de laser entrasse no guia de ondas. Eles mediram a perda óptica dentro do guia de onda em 0,19 dB / cm, apenas uma ordem de magnitude superior aos guias de onda de última geração criados com fotolitografia.

"No papel, relatamos os primeiros guias de onda impressos a jato de tinta com caracterização de perda, "disse Lütolf." Para as aplicações que imaginamos, os guias de ondas carregariam luz para curtas distâncias, e não em redes inteiras. O nível atual de perdas pode ser tolerado para tais aplicações. "

De acordo com os pesquisadores, o menor guia de ondas possível consiste em uma única gota de tinta, cujo tamanho é limitado pelo bico da impressora jato de tinta. Para a impressora usada no estudo, os guias de onda mais estreitos estariam na faixa de 40 mícrons com uma altura de cerca de 10 micrômetros. As impressoras a jato de tinta industriais típicas também têm limites semelhantes.

"Com nossa combinação atual de materiais e hardware, não é possível fazer guias de ondas abaixo de 10 micrômetros, como normalmente exigido para operação de modo único. Mas estamos perto, "disse Lütolf." Há, Contudo, nenhum limite físico fundamental que nos impediria de imprimir guias de onda de modo único. "

Ele acrescenta que vários grupos demonstraram capacidades de impressão na faixa submicrônica com técnicas como a impressão eletro-hidrodinâmica (E-jet). Deve ser possível combinar tais instrumentos com a nova técnica de impressão a jato de tinta para criar guias de onda de modo único.

Os pesquisadores agora estão trabalhando para otimizar o método de impressão e a tinta para reduzir ainda mais a quantidade de luz perdida pelo guia de ondas. Eles também estão trabalhando para tornar o processo de jato de tinta mais aplicável para a fabricação em grande escala e, eventualmente, implementação comercial.