Інженери розробили новий спосіб 3D-друку з проведеного полімеру. Витиснення розчину полімеру PEDOT:PSS з концентрацією в 7 відсотків дозволило швидко отримувати тонкі структури в 30 мікрометрів з високою відтворюваністю. Для перевірки якості нового способу вчені надрукували і підключили нейронний зонд для миші. Стаття опублікована в журналі.
Проведені полімерні матеріали можуть знайти застосування у зберіганні енергії, гнучкій електроніці та біоелектроніці завдяки своїм електричним, механічним та біосумісним властивостям. Однак незважаючи на останні досягнення в галузі полімерів, виготовлення конструкцій і пристроїв на їх основі досі обмежено традиційними методами, такими як струменевий і трафаретний друк, електрохімічне нанесення і літографія. У кожного з цих методів є свої недоліки і складності. Наприклад, ці способи обмежені акціонерними структурами з низькою роздільною здатністю, тобто з товщиною ниток не менше 100 мікрометрів, а також вони дуже витратні і мають складний багатоступеневий процес виробництва. Ці умови перешкоджають широкому використанню пристроїв з проведеними полімерами.
З іншого боку, сучасні способи 3D-друку надають можливості для швидкого програмованого виробництва тривимірних структур з мікронною роздільною здатністю. До теперішнього моменту список матеріалів, які можна використовувати в 3D-друку, значно зріс: метали, гідрогелі, біочорнила з клітинних агрегатів, скла, рідкокристалічні полімери і ферромагнітні еластомери. Але роботи з вивчення 3D-друку полімерів обмежені печаткою ізольованої нитки через погану здатність до друку наявних полімерів.
Ю Хен-У (Hyunwoo Yuk) з Массачусетського технологічного інституту зі своїми колегами виявив здатний до 3D-друку проведений полімер і надрукував з нього багатоелектродний ансамбль, високоплотну гнучку електронну мікросхему і нейронний зонд для мишиного гіпокампу. Цим полімером виявився давно відомий полі (3,4-етилендіокситіофен) пов'язаний із сульфонатом полістиролу (PEDOT:PSS), водний розчин якого широко доступний у промислових масштабах.
Щоб отримати придатний пастоподібний проведний полімер для друку, вихідний водний розчин полімеру послідовно заморожують при температурі рідкого азоту, ліофілізують і повторно диспергують в розчині води і органічного розчинника диметилсульфоксиду. Отриманий розчин з концентрацією п'ять-сім відсотків прийнятний для 3D-друку, при меншій концентрації одержувані структури розріджуються, а при більшій - застрягають в соплі екструдера через велику в'язкість. Отримані з такого матеріалу смуги мають високу роздільну здатність в 30 мікрон і велику точність відтворення в 20 шарів.
Висушені і ображені надруковані вироби мають високу провідність у 155 сіменс на сантиметр і гнучкість, що дуже важливо для застосування в гнучкій електроніці. Більш того, висушені вироби можуть бути повернуті в стан м'якого гідрогелю з модулем Юнга в 1,1 мегапаскаль простим витримуванням при вологих умовах. А тому сухі полімери обволікають у захисні шари діелектрика полідіметилсілоксану, одержувані тим же самим методом.
Чистий водний розчин PEDOT:PSS являє собою рівномірно розподілені в розчині нанонити полімера з в'язкістю менше 30 пуаз. Вчені надихнулися 3D-друком концентрованої суспензії нанонітей целюлози і припустили, що більш концентрований розчин може проявляти необхідні властивості для друку за рахунок заплутування цих ниток між собою. Зі збільшенням концентрації розчин переходив з рідкого стану в тіксотропний стан - речовина розріджується при механічному впливі і згущується за його відсутності - за рахунок утворення звернених заплутаних мереж з полімерних нанонітей. Отримана полімерна паста зберігала свою здатність до друку більше місяця.
Для підтвердження здатності до друку вчені провели серію технологічних випробувань. Для початку вони успішно надрукували дрібні сітки з товщиною ниток у 200, 100, 50 і 30 мікрометрів, при дослідженні яких вони з'ясували, що при зменшенні розміру нитки, збільшується провідність. Цей факт вони пояснили тим, що при вузькому соплі в струмені виникає більший тиск, а тому полімер, який проводить, виходить більш щільним, через що підвищується кількість проведених ниток полімеру. Потім вони послідовно нанесли 100-мікрометрові сітки один на одного і отримали 20 полімерних шарів з високою точністю. Щоб довести, що 3D-друк проводять полімерів з легкістю може комбінуватися з іншими друкованими матеріалами, вчені за півгодини надрукували складну структуру мультиелектродного масиву, який зараз виходить із золота багатостадійною літографією і пост-збіркою компонентів.
Для показового застосування біоелектроніки вчені надрукували за 20 хвилин нейронний зонд з проведеного полімеру, одягнений у полідіметилсілоксан. Цей пристрій призначений для запису біоелектричних сигналів мозку. Після складання пристрою зонд був вживлений в дорсальну частину гіпокампа лабораторної миші, яка успішно пересувалася з ним більше двох тижнів.
Таким чином, вчені розробили швидкий і простий метод 3D-друку для виробництва різних пристроїв з поширеного проведного полімеру PEDOT:PSS, це дозволить просунути сучасні дослідження до промислового використання. PEDOT:PSS цікавий полімер за рахунок своїх електричних і механічних властивостей. Ще п'ять років тому на його основі зробили тканину для розумного одягу, яка здатна розпізнавати широкий спектр рухів.