Μικροσκοπικές φυσαλίδες φέρνουν επανάσταση στην εκτύπωση inkjet για ηλεκτρονικά επόμενης γενιάς
Ερευνητές στο Μητροπολιτικό Πανεπιστήμιο του Τόκιο ανακάλυψαν έναν απλό αλλά ευφυή τρόπο για να ελέγχουν τον τρόπο με τον οποίο στεγνώνει το μελάνι, προσθέτοντας εξαιρετικά λεπτές φυσαλίδες στις σταγόνες inkjet αντί για χημικά πρόσθετα. Η τεχνική αυτή θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην κατασκευή μικροηλεκτρονικών συσκευών.
Η εκτύπωση inkjet δεν χρησιμοποιείται πλέον μόνο για έγγραφα και εικόνες. Έχει εξελιχθεί σε μια βασική τεχνική κατασκευής για προηγμένες τεχνολογίες, όπως τα μικροηλεκτρονικά και τα μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (MEMS), όπου μικροσκοπικές επικαλύψεις και πολύπλοκα κυκλώματα πρέπει να εναποτεθούν με εξαιρετική ακρίβεια.
Ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα είναι ο έλεγχος της συμπεριφοράς του μελανιού μετά την επαφή του με την επιφάνεια. Καθώς το υγρό στεγνώνει, τα αιωρούμενα σωματίδια συγκεντρώνονται σε ανομοιόμορφα σχήματα. Το πιο γνωστό παράδειγμα είναι το φαινόμενο «coffee ring», όπου το μεγαλύτερο μέρος του στερεού υλικού μαζεύεται γύρω από την εξωτερική άκρη της σταγόνας, όπως ακριβώς συμβαίνει με τον λεκέ που αφήνει μια σταγόνα καφέ.
Οι κατασκευαστές συνήθως προσθέτουν χημικές ουσίες που μεταβάλλουν την επιφανειακή τάση του υγρού, δημιουργώντας πιο ομοιόμορφες επικαλύψεις. Ωστόσο, αυτά τα πρόσθετα παραμένουν μετά το στέγνωμα και μπορούν να αλλοιώσουν τη συμπεριφορά του εκτυπωμένου υλικού, κάτι που είναι ανεπιθύμητο για πολλές προηγμένες εφαρμογές.
Για να αποφύγουν αυτό το πρόβλημα, η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Arata Kaneko ακολούθησε μια διαφορετική προσέγγιση. Αντί να τροποποιούν το μελάνι με επιφανειοδραστικές ουσίες ή να αλλάζουν χημικά τα σωματίδια, διέσπειραν νανοσκοπικές εξαιρετικά λεπτές φυσαλίδες μέσα στο υγρό.
Στα πειράματά τους, οι ερευνητές ανάρτησαν νανοσωματίδια πυριτίου σε νερό και πέρασαν το μείγμα από μια γεννήτρια εξαιρετικά λεπτών φυσαλίδων. Στη συνέχεια, εναπόθεσαν σταγόνες ενός νανολίτρου σε ένα υπόστρωμα πυριτίου χρησιμοποιώντας ακροφύσιο inkjet και τις άφησαν να στεγνώσουν.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι φυσαλίδες παρέχουν αξιοσημείωτο έλεγχο στο τελικό σχήμα των σωματιδίων. Οι σταγόνες χωρίς φυσαλίδες παρήγαγαν έντονο φαινόμενο coffee ring. Η εισαγωγή ενός μικρού αριθμού φυσαλίδων δημιούργησε μια πολύ πιο ομοιόμορφη επίστρωση, ενώ η αύξηση της συγκέντρωσης φυσαλίδων προκάλεσε τη συγκέντρωση των σωματιδίων στο κέντρο της σταγόνας. Οι φυσαλίδες δεν μετέβαλαν τα ίδια τα νανοσωματίδια, ούτε καν το ηλεκτρικό τους φορτίο — άλλαξαν απλώς την επιφανειακή τάση και τον τρόπο εξάπλωσης του υγρού.
Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της τεχνικής είναι ότι οι φυσαλίδες εξαφανίζονται εντελώς καθώς στεγνώνει η σταγόνα, χωρίς να αφήνουν κανένα υπόλειμμα. Αυτό καθιστά τη μέθοδο ιδανική για εφαρμογές όπου οι αρχικές ιδιότητες των νανοσωματιδίων πρέπει να παραμείνουν αναλλοίωτες.
Για παράδειγμα, τα νανοσωματίδια γραφενίου και διοξειδίου του μολυβδαινίου χρησιμοποιούνται συνήθως σε αισθητήρες αερίων, επειδή η ηλεκτρική τους αγωγιμότητα μεταβάλλεται όταν απορροφούν αέρια — η ευαισθησία αυτών των αισθητήρων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το σχήμα της εκτυπωμένης εναπόθεσης. Επίσης, τα αγώγιμα νανοσωματίδια που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικά κυκλώματα αποδίδουν καλύτερα όταν οι επιφάνειές τους παραμένουν όσο το δυνατόν πιο καθαρές.
Χάρη στο γεγονός ότι οι εξαιρετικά λεπτές φυσαλίδες εξαφανίζονται μετά το στέγνωμα, οι ερευνητές πιστεύουν ότι η μέθοδός τους θα μπορούσε να προσφέρει έναν καθαρότερο, πιο ακριβή τρόπο παραγωγής μικροσυσκευών επόμενης γενιάς, χωρίς τα μειονεκτήματα των συμβατικών πρόσθετων μελανιού.