杜克大学的电气工程师们已经为电子产品设计了一种完全就地打印的技术,这种技术非常柔和,可以在包括纸张和人体皮肤在内的精细表面上打印。这一进展可能会使诸如高粘附性、嵌入式电子纹身和带有患者特异性生物传感器的绷带等技术成为可能。“当人们听到‘印刷电子’这个词时,他们的预期是,一个人将基片和电子电路的设计装入打印机,一段合理的时间后,移除一个功能完整的电子电路。”杜克大学电子和计算机工程的James L.和Elizabeth M. Vincent副教授Aaron Franklin说。富兰克林说:“多年来,有大量的研究论文承诺这种‘完全打印电子产品’,但现实是,这个过程实际上需要将样品取出多次,烘烤、清洗或将材料涂在上面。”“我们是第一个现实与公众认知相符的地方。”
所谓的电子纹身概念最早是由约翰·a·罗杰斯(John A. Rogers)在21世纪头十年后期在伊利诺伊大学(University of Illinois)提出的。罗杰斯现在是西北大学(Northwestern University)材料科学与工程专业的路易斯·辛普森(Louis Simpson)和金伯利·克雷里(Kimberly Querrey)教授。罗杰斯的电子纹身不是真正的永久性注射到皮肤上的纹身,而是薄薄的、柔韧的橡胶片,含有同样柔韧的电子元件。
这种薄膜附着在皮肤上,就像一个临时的纹身,早期版本的柔性电子产品被制成包含心脏和大脑活动监测器以及肌肉刺激器。虽然这些类型的设备正处于商业化和大规模制造的道路上,但仍有一些领域不太适合它们,比如需要通过添加定制电子设备来直接修改表面。富兰克林说:“为了让直接打印或添加打印真正有用,你需要能够在一个步骤中打印出你要打印的所有内容。”“一些更奇特的应用包括紧密连接的电子纹身,可用于生物标记或独特的检测机制,快速原型的飞行定制电子,以及基于纸张的诊断,可以很容易集成到定制的绷带。”
在7月的论文中,富兰克林的实验室和杜克大学化学教授本杰明·威利(Benjamin Wiley)的实验室开发了一种含有银纳米线的新型墨水,可以在低温下用气溶胶打印机打印到任何衬底上。它产生了一种薄膜,无需任何进一步处理就能保持其导电性。印刷后,油墨在不到两分钟的时间内干燥,即使在承受50%的弯曲应变一千次以上,也能保持较高的电气性能。
在第一篇论文的一段视频中,研究生尼克·威廉姆斯(Nick Williams)在他的小指下方打印了两条电子有源导线。在手指的末端,他将导线连接到一个小LED灯上。然后,他在两个打印导线的底部施加一个电压,使LED即使在他弯曲和移动手指时也保持亮。
在第二篇论文中,富兰克林和研究生陆石恒进一步将导电墨水与其他两种可打印元件结合起来,创造出功能晶体管。打印机首先制造出一条碳纳米管半导体带。一旦干了,在不移除打印机上的塑料或纸基板的情况下,两根从两边延伸几厘米的银纳米线引线被打印出来。然后,将二维材料六方氮化硼的非导电介质层打印在原始半导体带的顶部,然后是最终的银纳米线栅电极。
与今天的技术,至少有一个这些步骤需要被删除的衬底额外处理,如化学浴冲掉多余的材料,硬化过程,确保层不混合,或延长烘烤去除有机物质,可以干扰电场的痕迹。
但是Franklin的就地打印不需要这些步骤,尽管每一层都需要完全干燥,以避免混合材料,但可以在迄今为止报告的最低整体处理温度下完成。富兰克林说:“没有人想到雾化墨水,尤其是氮化硼墨水,可以在不经过至少一个半小时烘烤的情况下,提供制造功能性电子产品所需的特性。”“但我们不仅让它工作了,我们还证明,打印后烘烤两个小时并不能改善它的性能。这是使用我们的全打印流程所能达到的最好效果。”
富兰克林没有看到他的印刷方法更换可穿戴电子产品的大规模制造工艺。但他确实看到了一种潜在的应用价值,例如快速原型设计或一种尺寸不适合所有的情况。富兰克林说:“想想包含像生物传感器这样的电子产品的绷带。“这是可以帮助推动该的按需能力的类型。”