Naukowcy opracowują precyzyjną, przyjazną dla środowiska metodę produkcji przy użyciu wody i papieru

Wyobraź sobie, że możesz tworzyć bardzo małe konstrukcje z taką samą łatwością i trwałością, jak drukowanie na papierze. Oto granice mikrofabrykacji – procesu wytwarzania mikroskopijnych struktur, które mają kluczowe znaczenie dla działania wszystkiego, od chipów komputerowych po urządzenia medyczne.

Tradycyjnie mikrofabrykacja była intensywnym procesem z udziałem toksycznych dla środowiska substancji chemicznych, których trudno bezpiecznie się pozbyć. Naukowcy z Uniwersytetu w Chicago mają jednak nadzieję to zmienić.

W ich najnowszym wydaniu w Zrównoważony rozwój przyrodyLaboratorium profesora Busi Tiana z powodzeniem opracowało zrównoważoną środowiskowo metodę mikrofabrykacji z wykorzystaniem wody i materiałów naturalnych – w tym papieru – do tworzenia i przenoszenia wzorów.

Według Tian proces ten czerpie inspirację z natury, naśladując naturalny sposób, w jaki gekony przyczepiają się do ścian i odrywają się od nich.

Nowe wykorzystanie wody

Tradycyjny proces mikrofabrykacji, polegający na tworzeniu małych wzorów w skali mikroskopowej za pomocą procesu zwanego fotolitografią, od dawna opiera się na szkodliwych substancjach chemicznych podczas produkcji układów scalonych znajdujących się w większości urządzeń elektronicznych gospodarstwa domowego i konsumenckich.

Jednak naukowcy z Uniwersytetu w Chicago odkryli bardziej ekologiczne podejście do mikrofabrykacji, wykorzystując wodę jako ekologiczny środek aktywujący zamiast tradycyjnych środków toksycznych.

Ich innowacyjna technologia stanowi przeformułowanie starożytnego procesu znanego jako synteza fotochemiczna wspomagana solą. Nowa wersja wykorzystuje laser do tworzenia wzorów na papierze, które można łatwo przenieść za pomocą wody.

„Odkryliśmy, że woda jest w stanie delikatnie i skutecznie oddzielać małe wzory od materiałów leżących pod spodem” – powiedział Tian.

Dzięki tej technice zespołowi udało się ulepszyć proces przekształcania celulozy zawartej w papierze w węgiel przewodzący. Mogą następnie przekształcić ten węgiel w zaawansowane czujniki, starannie dostrajając powierzchnie węgla i stosując katalizatory, aby skutecznie wspomagać reakcje w nanomateriałach.

Wykazano, że ten cenny węgiel, wytwarzany za pomocą wody i pisma laserowego, ma różnorodne zastosowania, od zaawansowanych czujników po złożone urządzenia medyczne.

„Wykorzystanie wody zamiast toksycznych rozpuszczalników to duży krok naprzód” – dodał Quanwang Yang, pracownik naukowy ze stopniem doktora w laboratorium Tian i pierwszy autor badania.

Produkcja maszyn

Aby jeszcze bardziej ulepszyć swoją metodę, Yang opracował innowacyjne narzędzie zwane „laserową maszyną do pisania typu roll-to-roll”. Narzędzie to automatyzuje pisanie laserowe i przenoszenie wzorów, dzięki czemu proces jest szybszy i bardziej niezawodny.

„Zaprojektowanie i zbudowanie tej maszyny zajęło około sześciu miesięcy, ale znacznie przyspieszyło naszą produkcję w przypadku zastosowań na dużą skalę” – powiedział Yang.

Choć badacze przyznają, że ich metoda być może nie zastąpi precyzyjnych technik potrzebnych do tworzenia złożonych chipów komputerowych, optymistycznie patrzą na jej wykorzystanie w innych zastosowaniach, takich jak niedrogie, jednorazowe czujniki do testów medycznych czy urządzenia do noszenia.

„Uważamy, że jest to szczególnie przydatne w przypadku urządzeń, które nie wymagają ekstremalnej precyzji chipów krzemowych, ale nadal wymagają wysokiej funkcjonalności” – powiedział Tian.

„Nasz projekt zwiększa wydajność produkcji ultracienkich wyrobów medycznych, w tym tych stosowanych do stymulacji i wykrywania serca i układu nerwowego” – dodał Pingguo Li, absolwent w laboratorium Tian, ​​który również pracował nad projektem.

Wykorzystując siłę natury i proste, przyjazne dla środowiska materiały, innowacyjna metoda zespołu może zmienić kształt procesu mikrofabrykacji, przyczyniając się do rosnącej fali ekologicznych technologii, która definiuje przyszłość przemysłu naukowo-technologicznego.