杜克大學(xué)的電氣工程師已經(jīng)為電子設(shè)備設(shè)計(jì)了一種完全現(xiàn)場(chǎng)印刷的技術(shù)，該技術(shù)足夠柔和，可以在包括紙張和人體皮膚在內(nèi)的脆弱表面上使用。這項(xiàng)進(jìn)步可以使諸如高附著力，嵌入式電子紋身和繃帶等技術(shù)通過(guò)針對(duì)患者的生物傳感器被誘騙。

在7月9日在線(xiàn)發(fā)表在Nanoscale期刊和10月3日在線(xiàn)發(fā)表在ACS Nano期刊上的一系列論文中對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行了描述。

“當(dāng)人們聽(tīng)到'印刷電子設(shè)備'一詞時(shí)，人們期望人們將基板和電子電路的設(shè)計(jì)裝載到打印機(jī)中，并在合理的一段時(shí)間后，將功能齊全的電子電路拆除，” Aaron Franklin說(shuō)。 James L.和Elizabeth M. Vincent杜克大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程副教授。

“多年來(lái)，有大量的研究論文對(duì)這類(lèi)“完全印刷的電子產(chǎn)品”作出了承諾，但現(xiàn)實(shí)情況是，該過(guò)程實(shí)際上涉及多次取出樣品進(jìn)行烘烤，洗滌或旋涂材料到樣品上。 ”，富蘭克林說(shuō)。“我們是第一個(gè)將現(xiàn)實(shí)與公眾的看法相匹配的國(guó)家。”

所謂的電子紋身的概念最早是由John A. Rogers在伊利諾伊大學(xué)于2000年代后期提出的，John A. Rogers現(xiàn)在是路易斯·辛普森(Louis Simpson)和西北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)的金伯利·奎里(Kimberly Querrey)教授。羅杰斯的電子紋身不是將永久性的紋身永久注入皮膚，而是由薄而柔軟的橡膠塊組成，其中包含同樣柔軟的電子組件。

杜克大學(xué)的研究生尼克·威廉姆斯(Nick Williams)在小指的下面打印了兩個(gè)電子有源引線(xiàn)，在它們之間放置了小的LED燈，并施加了電壓以顯示即使彎曲手指也能保持電路完好無(wú)損。

薄膜像臨時(shí)紋身一樣粘在皮膚上，而早期的柔性電子設(shè)備被制成包含心臟和大腦活動(dòng)監(jiān)測(cè)器以及肌肉刺激器。盡管這些類(lèi)型的設(shè)備正朝著商業(yè)化和大規(guī)模生產(chǎn)的方向發(fā)展，但在某些領(lǐng)域它們并不十分適合，例如當(dāng)需要通過(guò)添加定制電子設(shè)備直接對(duì)表面進(jìn)行修改時(shí)。

富蘭克林說(shuō)：“要使直接打印或增補(bǔ)打印真正有用，您將需要能夠一步完成所有打印內(nèi)容的打印。”“一些更奇特的應(yīng)用包括可以用于生物標(biāo)記或獨(dú)特檢測(cè)機(jī)制的緊密連接的電子紋身，用于即時(shí)定制電子設(shè)備的快速原型制作以及可以輕松集成到定制繃帶中的紙質(zhì)診斷。”

在七月份的論文中，富蘭克林的實(shí)驗(yàn)室和杜克大學(xué)化學(xué)教授本杰明·威利的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種新型的包含銀納米線(xiàn)的墨水，該墨水可以通過(guò)氣溶膠打印機(jī)在低溫下打印到任何基材上。它產(chǎn)生無(wú)需任何進(jìn)一步處理即可保持其導(dǎo)電性的薄膜。印刷后，油墨在不到兩分鐘的時(shí)間內(nèi)干燥，即使在承受50%的彎曲應(yīng)變一千次后仍保持其高電氣性能。

在第一篇論文隨附的視頻中，研究生尼克·威廉姆斯(Nick Williams)在他的小指下側(cè)打印了兩條電子激活的導(dǎo)線(xiàn)。在他的手指末端，他將導(dǎo)線(xiàn)連接到一個(gè)小的LED燈。然后，他向兩條印刷引線(xiàn)的底部施加電壓，即使彎曲和移動(dòng)手指，LED仍保持點(diǎn)亮狀態(tài)。

在第二篇論文中，富蘭克林(Franklin)和研究生盧世恒(Shiheng Lu)進(jìn)一步將導(dǎo)電墨水，并將其與其他兩個(gè)可印刷的組件組合在一起，以創(chuàng)建功能晶體管。打印機(jī)首先放下碳納米管的半導(dǎo)體條。一旦干燥，并且沒(méi)有從打印機(jī)上移除塑料或紙質(zhì)基材，將打印兩條從任一側(cè)延伸幾厘米的銀納米線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)。然后，將二維材料的非導(dǎo)電介電層(六方氮化硼)印刷在原始半導(dǎo)體條的頂部，然后印刷最終的銀納米線(xiàn)柵電極。

杜克大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程教授亞倫·富蘭克林(Aaron Franklin)和他的研究生尼克·威廉姆斯(Nick Williams)討論并展示了他們的新的就地打印技術(shù)，這種技術(shù)足夠柔和，可以將電子設(shè)備直接打印到紙張或人體皮膚上。

使用當(dāng)今的技術(shù)，這些步驟中的至少一個(gè)步驟將需要除去基板以進(jìn)行其他處理，例如化學(xué)浴以沖洗掉不想要的材料，硬化過(guò)程以確保各層不混合，或者進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間烘烤以除去痕跡。會(huì)干擾電場(chǎng)的有機(jī)材料。

但是富蘭克林的現(xiàn)場(chǎng)印刷不需要任何這些步驟，并且盡管需要將每一層完全干燥以避免混合材料，但仍可以在迄今為止報(bào)道的最低總體加工溫度下完成。

富蘭克林說(shuō)：“沒(méi)有人認(rèn)為霧化油墨，特別是氮化硼，可以提供制造功能性電子產(chǎn)品所需的性能，而無(wú)需烘烤至少一個(gè)半小時(shí)。”“但是我們不僅使它能夠正常工作，而且還顯示出在打印后烘烤兩個(gè)小時(shí)并不能改善其性能。這與僅使用完全原位打印過(guò)程所能獲得的效果一樣好。”

富蘭克林(Franklin)認(rèn)為他的印刷方法無(wú)法替代可穿戴電子產(chǎn)品的大規(guī)模制造工藝。但是他確實(shí)看到了應(yīng)用的潛在價(jià)值，例如快速原型設(shè)計(jì)或一種尺寸無(wú)法完全適用的情況。

富蘭克林說(shuō)：“考慮創(chuàng)建包含生物傳感器等電子產(chǎn)品的定制繃帶，護(hù)士可以走到工作站并確定特定患者需要哪些功能。”“這種類(lèi)型的按需打印功能可以幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”