211service.com
Drukowanie atramentowe w nanoskali
Opracowano nowy typ drukarki atramentowej, która może precyzyjnie drukować kropki z różnych materiałów o średnicy zaledwie 250 nanometrów. Drukarka atramentowa może umożliwić szybką syntezę złożonych struktur w nanoskali z różnych materiałów.
Druk nano: Ten obraz przedstawia zdjęcie kwiatu wydrukowane przy użyciu nowoczesnej elektrohydrodynamicznej drukarki atramentowej. Każda kropka ma średnicę zaledwie ośmiu mikrometrów i składa się z jednościennych nanorurek węglowych.
Celem jest produkcja, mówi John Rogers , profesor inżynierii na Uniwersytecie Illinois w Urbana Champaign. Jak mówi Rogers, nowe drukarki mogą wykorzystywać szeroką gamę materiałów do produkcji nowatorskich urządzeń, od plastikowych elementów elektronicznych i elastycznych wyświetlaczy po ogniwa fotowoltaiczne i nowe czujniki biomedyczne.
Naukowcy wykazali, że nowe drukarki atramentowe mogą drukować bardzo precyzyjne wzory polimerów przewodzących prąd elektryczny i nanorurek węglowych; wykazali również, że DNA można wydrukować bez uszkadzania go. Trudno to zrobić przy użyciu tradycyjnych technik wytwarzania krzemu, mówi Rogers.
Często nanomateriały potrzebne do wykonania ultramałych urządzeń biomedycznych i nanoskalowanej elektroniki opartej na polimerach są w rozwiązaniu, co oznacza, że nie nadają się do tradycyjnych technik mikrofabrykacji. Z tego powodu drukowanie jest atrakcyjną alternatywą, zarówno pod względem kosztów, jak i złożoności, mówi Heiko Wolf z Laboratoria badawcze IBM w Zurychu ’ Grupa Struktur i Urządzeń Nanoskalowych w Szwajcarii.
Jednak modelowanie struktur w nanoskali okazało się jak dotąd wyzwaniem. Konwencjonalne drukarki atramentowe są ograniczone do rozdzielczości około 25 mikrometrów, mówi Rogers.
Tradycyjne drukarki atramentowe działają na zasadzie wypychania atramentu z dyszy w celu utworzenia kropelek, albo poprzez podgrzanie atramentu, albo wywieranie nacisku fizycznego w celu wymuszenia go. Chociaż działa to dobrze w skali mikrometrowej, problemy z napięciem powierzchniowym i przepływem płynu zaczynają stanowić barierę, gdy badacze próbują zejść na mniejsze. Im mniejszy rozmiar dyszy, tym trudniej jest przepuścić przez nią płyn, mówi Rogers. Tak więc siła, którą musisz zastosować, wzrasta nieproporcjonalnie.
Aby temu zaradzić, Rogers i jego koledzy stosują inne podejście, zwane elektrohydrodynamicznym drukiem atramentowym (lub e-jet). „Wyciągamy płyny, zamiast je popychać”, mówi.
Wiąże się to z wykorzystaniem pól elektrycznych do tworzenia kropelek i polega na tym, że w płynie znajduje się pewna ilość naładowanych elektrycznie cząstek lub jonów. Siły kapilarne wyciągają płyn ze zbiornika, tworząc półkulistą kroplę zwisającą z jego krawędzi, jak kropla wody na kranie.
Używając elektrod do wytworzenia pola elektrycznego między końcówką dyszy a podłożem, na którym chce się drukować materiał, można nadać kropelkę stożkową, mówi Rogers. Jony gromadzą się na powierzchni płynu, na wierzchołku stożka, mówi. Ta koncentracja jonów pozwala na oderwanie się wierzchołka stożka i utworzenie kropli, która stanowi zaledwie ułamek objętości stożka.
Możesz generować kropelki, które są mniejsze niż średnica dyszy, mówi Rogers. Naprawdę tylko szczypiesz kropelki. Dopiero na samym wierzchołku stożka powstają kropelki.
Korzystając z tego podejścia, Rogers i jego koledzy wykazali, że mogą drukować linie z materiału o szerokości 700 nanometrów lub pojedyncze kropki o średnicy zaledwie 250 nanometrów.
Oprócz wielkości kropel poprawiono również dokładność przestrzenną, mówi Rogers. On i jego zespół odkryli całkiem przypadkowo, że pole użyte do wytworzenia kropli pomaga również kierować naładowaną kroplę w kierunku docelowego podłoża. To był rodzaj bonusu, mówi Rogers.
Mówi się, że drukarki elektrohydrodynamiczne były używane w przeszłości Howard Taub , zastępca dyrektora HP Labs w Palo Alto w Kalifornii. Nowością jest tutaj wysoka rozdzielczość – mówi.
Ale, mówi Taub, to, co te nowe e-odrzutowce rekompensują w rozdzielczości, której brakuje w prędkości. Wysokie napięcia wymagane do wygenerowania pól mogą być trudne do pulsowania w celu szybkiego drukowania. Zwykłe drukarki mogą wyrzucać krople od 10 000 do 100 000 razy na sekundę. Z drugiej strony e-jety Rogersa działają z prędkością około 1000 razy na sekundę.
Jednym z rozwiązań jest użycie macierzy głowic atramentowych, mówi Taub. Ale to może prowadzić do dalszych problemów, mówi: Kropelki będą ze sobą oddziaływać, ponieważ są naładowane. Więc musiałbyś je rozmieścić.
Rogers mówi, że jego grupa pracuje nad kwestią prędkości. On i jego koledzy wykazali już, że dysze można umieścić na odległość do 250 mikrometrów bez interakcji kropel. Obecnie współpracują z kilkoma producentami w celu komercjalizacji technologii.