Transfer a rifusione per microstampa tridimensionale conforme.
Lo scienziato del NIST Gary Zabow non aveva mai avuto intenzione di usare caramelle nel suo laboratorio. Era solo come ultima risorsa che aveva persino provato a seppellire microscopici punti magnetici in pezzi di zucchero induriti – caramelle dure, in pratica – e inviare questi pacchetti dolci ai colleghi in un laboratorio biomedico. Lo zucchero si dissolve facilmente in acqua, liberando i punti magnetici per i loro studi senza lasciare dietro di sé plastiche o sostanze chimiche nocive.
Per caso, Zabow aveva lasciato uno di questi pezzi di zucchero, incastonati con matrici di punti micromagnetici, in un bicchiere, e ha fatto ciò che lo zucchero fa con il tempo e il calore: si è sciolto, rivestendo il fondo del bicchiere in un pasticcio appiccicoso.
“Nessun problema”, pensò. Avrebbe semplicemente sciolto lo zucchero, come al solito. Solo che questa volta, quando ha risciacquato il becher, i micropunti erano spariti. Ma in realtà non mancavano; invece di rilasciarsi nell’acqua, erano stati trasferiti sul fondo del bicchiere dove proiettavano un riflesso arcobaleno.
“Sono stati quei colori dell’arcobaleno che mi hanno davvero sorpreso”, ricorda Zabow. I colori indicavano che gli array di micropunti avevano mantenuto il loro motivo unico.
Questo dolce pasticcio gli ha dato un’idea. Il normale zucchero da tavola potrebbe essere utilizzato per portare il potere dei microchip su superfici nuove e non convenzionali? Le scoperte di Zabow su questo potenziale processo di stampa transfer sono state pubblicate su Science il 25 novembre.
I chip semiconduttori, le superfici micropatternizzate e l’elettronica si basano tutti sulla microstampa, il processo di inserimento di modelli precisi ma minuscoli da milionesimi a miliardesimi di metro di larghezza su superfici per conferire loro nuove proprietà. Tradizionalmente, questi minuscoli labirinti di metalli e altri materiali sono stampati su wafer piatti di silicio. Ma con l’espandersi delle possibilità di chip semiconduttori e materiali intelligenti, questi modelli intricati e minuscoli devono essere stampati su superfici nuove, non convenzionali e non piatte.
Stampare direttamente questi motivi su tali superfici è complicato, quindi gli scienziati trasferiscono le stampe. Ci sono nastri flessibili e plastica che possono fare il lavoro (come usare lo stucco per raccogliere la carta da giornale), ma questi solidi possono ancora avere difficoltà a conformarsi a curve e angoli acuti quando la stampa viene riposizionata. Potrebbero anche lasciare plastica o altri prodotti chimici difficili da rimuovere o non sicuri per usi biomedici.
Esistono tecniche liquide, in cui il materiale di trasferimento viene fatto galleggiare sulla superficie dell’acqua e la superficie del bersaglio viene spinta attraverso di essa. Ma anche questo può essere complicato; con un liquido che scorre liberamente può essere difficile posizionare la stampa esattamente dove vuoi su una nuova superficie.
Ma, come ha scoperto Zabow con sua sorpresa, una semplice combinazione di zucchero caramellato e sciroppo di mais può fare il trucco.
Una volta sciolta in una piccola quantità di acqua, questa miscela di zucchero può essere versata su micropattern su una superficie piana. Una volta che l’acqua evapora, le caramelle si induriscono e possono essere sollevate con il motivo incorporato. La caramella con la stampa viene quindi posizionata sulla nuova superficie e sciolta. La combinazione zucchero/sciroppo di mais mantiene un’alta viscosità mentre si scioglie, lasciando che il motivo mantenga la sua disposizione mentre scorre su curve e spigoli. Quindi, usando l’acqua, lo zucchero può essere lavato via, lasciando dietro di sé solo il disegno.
Usando questa tecnica, chiamata REFLEX (REflow-driven FLExible Xfer), i modelli di microcircuiti potrebbero essere trasferiti come uno stencil per consentire agli scienziati o ai produttori di incidere e riempire i materiali di cui hanno bisogno nei posti giusti. Oppure, i materiali modellati potrebbero essere trasferiti dal loro chip originale su fibre o microsfere per potenziali studi biomedici o di microrobotica, o su superfici taglienti o curve all’interno di nuovi dispositivi.
La tecnica ha avuto successo per una vasta gamma di superfici, inclusa la stampa sulla punta acuminata di uno spillo e la scrittura della parola “NIST” in caratteri dorati in microscala su una singola ciocca di capelli umani. In un altro esempio, dischi magnetici di 1 micrometro di diametro sono stati trasferiti con successo su una fibra di filo interdentale di un seme di asclepiade. In presenza di un magnete, la fibra stampata magneticamente ha reagito, mostrando che il trasferimento aveva funzionato.
C’è ancora molto da esplorare con REFLEX, ma questo processo potrebbe aprire nuove possibilità per nuovi materiali e microstrutture in campi dall’elettronica all’ottica all’ingegneria biomedica.
“L’industria dei semiconduttori ha speso miliardi di dollari per perfezionare le tecniche di stampa per creare chip su cui facciamo affidamento”, afferma Zabow. “Non sarebbe bello se potessimo sfruttare alcune di queste tecnologie, ampliando la portata di quelle stampe con qualcosa di semplice ed economico come una caramella?”
Credito: G. Zabow/NIST