Mực kim loại-alginate lỏng mới cho phép in 3D thiết bị điện tử lên vải

Trong tương lai, quần áo gắn thiết bị điện tử có thể theo dõi sức khỏe, quản lý nhiệt độ, nhịp tim con người, giao tiếp với điện thoại thông minh và cung cấp thông tin kiểm soát tình trạng cơ thể.

Để hiện thực hóa ý tưởng này, các nhà khoa học đang nỗ lực tìm ra phương pháp in các mạch phức tạp, linh hoạt và bền bỉ lên nhiều loại vải khác nhau với yêu cầu hiệu quả về chi phí.

Nhóm nhà khoa học do GS Yong He thuộc Trường kỹ thuật cơ khí, Đại học Chiết Giang, Trung Quốc đã phát triển một loại mực dẫn điện mới, có thể in 3D trực tiếp lên quần áo với những họa tiết phức tạp.

Trong một bản báo cáo khoa học, đăng trên tạp chí ACS Applied Materials & Interfaces, nhóm nghiên cứu thông báo phát triển thành công một loại mực in 3D dẫn điện, chế tạo từ các giọt kim loại lỏng phủ bằng alginate, một loại polymer có nguồn gốc từ tảo.

Đồ họa mô phỏng cấu trúc mựa kim loại - alginate lỏng in một mẫu hoa văn phức tạp.

Các thiết bị điện tử thông thường cứng rắn, không mềm dẻo linh hoạt để chịu được các chuyển động xoắn và kéo giãn mà quần áo phải trải qua trong những hoạt động thông thường hàng ngày. Do tính chất lỏng và độ dẫn điện tuyệt vời, những kim loại lỏng, phát triển trên cơ sở gali (LM) là vật liệu đầy hứa hẹn cho những thiết bị điện tử mềm dẻo, bền và linh hoạt.

Các kim loại lỏng (LM) không kết dính vào vải, sức căng bề mặt lớn khiến vật liệu bị vo tròn trong quá trình in 3D chứ không tạo thành các mạch liên tục.

Để tạo ra mực in, các nhà nghiên cứu trộn LM và alginate. Khuấy dung dịch và loại bỏ chất lỏng dư thừa tạo ra các microdroplets LM được bao phủ bởi một lớp vỏ alginate microgel. Mực rất đặc cho đến khi được bơm qua một đầu phun để in 3D, hạt động phá vỡ các liên kết hydro trong microgel và khiến vật liệu trở nên lỏng hơn.

Khi mực chạm đến bề mặt vải, những liên kết hydro sẽ cải tổ lại, khiễn mẫu in giữ nguyên hình dạng. Nhóm nghiên cứu đã in 3D loại mực mới lên bề mặt nhiều vật chất khác nhau như giấy, vải polyester, vải không dệt và băng keo gốc acrylic.

Mặc dù các mẫu in ban đầu không dẫn điện, nhưng các nhà nghiên cứu đã kích hoạt thử nghiệm như kéo căng, ép hoặc đóng băng để làm đứt các mạng alginate khô, kết nối các microdroplet (hạt) LM.

Sau khi kích hoạt, những mạch in có đặc tính dẫn điện và cảm biến lực căng rất tốt. Ngoài ra, đặt một hiệu điện thế nhỏ vào hai đầu đoạn mạch khiến sẽ khiến vật liệu nóng lên ngay cả khi ở nhiệt độ môi trường rất lạnh. Để chứng minh khả năng của mực, nhóm nghiên cứu đã in 3D một loạt thiết bị điện tử lên quần áo thông thường.

Trên một chiếc áo phông, họ in một thẻ giao tiếp cảm ứng từ trường gần, hướng dẫn một chiếc điện thoại thông minh đặt gần đó mở một trang web. Những cảm biến khác được in trên quần áo để theo dõi chuyển động của khớp khuỷu tay hoặc đầu gối. Trong thí nghiệm, một mạch điện in 3D được cấp nguồn từ một pin nhỏ đã làm nóng mẫu in lên trên 120 F trong vòng chưa đầy một phút.

Mực LM-alginate có thể được tái chế bằng cách ngâm vải trong dung dịch natri hydroxit yếu, thu hồi kim loại lỏng cho các ứng dụng mới.