Дослідники зі Школи електротехніки KAIST та Сеульського національного університету у Південній Кореї розробили електронне чорнило для друку мікросхем змінної жорсткості за умов кімнатної температури.

Електроніка зі змінною жорсткістю є перспективним напрямком, що дозволить пристроям переходити від жорсткого стану до м'якого. Найбільш підходящим матеріалом для цього є галій, який відносно легко переходить із жорсткого у рідкий стан. Однак цей метал має високий поверхневий натяг, низьку в'язкість і небажані фазові переходи.

Група під керівництвом професора Чже-Ун Чонга зі Школи електротехніки KAIST, професора Сонджуна Пака, що спеціалізується в галузі цифрової охорони здоров'я Сеульського національного університету, та професора Стіва Пака з кафедри матеріалознавства та інженерії KAIST вирішила усунути обмеження щодо використання галію у виробництві електроники зі змінною жорсткістю.

Вони розробили електронне чорнило, що дозволяє друкувати схеми зі змінною жорсткістю за кімнатної температури. Зазначається, що це чорнило поєднує електропровідність та необхідну в'язкість, що дозволяє друкувати складні багатошарові мікросхеми з високою роздільною здатністю, які можна порівняти з комерційними друкованими платами.

Ці схеми можуть динамічно змінювати жорсткість в залежності від температури. На відміну від традиційної електроніки, яка переважно має один чітко визначений форм-фактор, або жорсткі, довговічні прилади, або м'які, які зручно носити на собі, пристрої зі змінною жорсткістю дозволятимуть адаптувати її в залежності від потреб.

Температура плавлення галію складає 29,8 °C. У твердому стані галій має високу жорсткість, а у рідкій формі - м'який та тікучий. Науковці розробили процес друку із використанням рідкометалевого чорнила з контролем рівня pH. Розчиняючи мікроскопічні частинки галію у гідрофільній поліуретановій матриці з використанням нейтрального розчинника -диметилсульфоксиду, дослідники отримали стабільне високов'язке чорнило для високоякісного друку.

Під час нагріву після друку диметилсульфоксид розкладається, утворюючи кислотне середовище, яке видаляє оксидний шар з частинок галію. За рахунок цього частинки галію отримують змогу об'єднуватись в електропровідні мережі з можливістю налаштування механічних властивостей.

Розміри елементів друкованих мікросхем не перевищують 50 мкм. Вони мають високу провідність на рівні 2,27 × 10⁶ См/м та коефіцієнт модуляції жорсткості до 1465. Це дозволяє матеріалу переходити від жорсткості, близької до пластику, до м'якого стану, близького до резини. Крім того, чорнило сумісне з традиційними методами друку, такими як трафаретний друк та нанесення покриття зануренням.

Науковці продемонстрували можливості технології, створивши багатофункціональний пристрій, який в звичайних умовах працює як жорсткий портативний гаджет, однак у разі кріплення до тіла перетворюється на м'який медичний пристрій. Вони також створили нейронний зонд, який залишається жорстким під час хірургічної установки для точного позиціонування, але розм'якшується, потрапляючи до мозкової тканини, щоб зменшити запалення.

«Головне досягнення цього дослідження полягає у подоланні давніх проблем друку рідким металом за допомогою нашої інноваційної технології. Керуючи кислотністю чорнила, ми змогли електрично та механічно з'єднати надруковані частинки галію, що дозволило виробляти при кімнатній температурі схеми великої площі з високою роздільною здатністю та регульованою жорсткістю. Це відкриває нові можливості для майбутньої персональної електроніки, медичних пристроїв та робототехніки», - наголошує професор Чже-Ун Чонг.