La progettazione di circuiti integrati flessibili tridimensionali (IC 3D) apre nuove prospettive per l’elettronica miniaturizzata e multifunzionale. Questi circuiti, a differenza di quelli rigidi tradizionali, possono adattarsi a superfici curve o deformabili, rendendoli adatti a settori come l’elettronica indossabile, la sensoristica biomedica e la robotica soffice.
Un articolo pubblicato sulla rivista KeAi Wearable Electronics approfondisce l’utilizzo dei metalli liquidi a base di gallio come materiali conduttivi per queste soluzioni. Questi metalli si distinguono per buona conducibilità elettrica, flessibilità meccanica e compatibilità con i tessuti biologici. Tuttavia, presentano alcune criticità produttive, come la difficoltà nel realizzare trame ad alta definizione, la gestione dell’ossidazione e la stabilità degli strati intermedi, elementi che influenzano prestazioni e durata dei circuiti.
Stampa 3D per una produzione precisa e scalabile
Per affrontare queste problematiche, i ricercatori stanno esplorando l’impiego di tecniche di produzione additiva, in particolare la stampa 3D. Rispetto a metodi convenzionali come la serigrafia o la stampa a microcanali, processi come la scrittura diretta a inchiostro permettono un maggiore controllo sui dettagli del circuito. La stampa coassiale consente inoltre di incapsulare il metallo liquido, migliorandone la stabilità. Attraverso approcci ibridi e multistrato, è possibile ottenere configurazioni più complesse.
Secondo Dianpeng Qi, uno degli autori dello studio, la capacità della stampa 3D di operare a temperatura ambiente rappresenta un vantaggio rilevante: permette di stampare direttamente su materiali flessibili come polimeri, idrogel o tessuti, favorendo l’integrazione nei dispositivi indossabili o biomedicali.
Strategie per migliorare la stabilità dei circuiti
Un limite dei metalli liquidi è rappresentato dall’elevata tensione superficiale e dalla propensione all’ossidazione. Per migliorare l’aderenza e la resistenza meccanica, sono stati sperimentati inchiostri modificati con nanoparticelle, tra cui nanotubi di carbonio e nichel. Questi additivi rafforzano la struttura del circuito e ne aumentano la durata operativa. Tecniche come la creazione di strutture a nucleo-guscio o il controllo dell’ossidazione tramite ingegneria di superficie contribuiscono ulteriormente alla definizione dei percorsi conduttivi.
Tecniche di stampa complementari
Oltre alla modifica dell’inchiostro, i ricercatori hanno testato tecniche di supporto per migliorare il processo produttivo. La stampa assistita da congelamento sfrutta un raffreddamento controllato per stabilizzare il materiale. La stampa assistita da idrogel, invece, incorpora il metallo in una matrice gelatinosa che consente la creazione di strutture tridimensionali libere. Infine, la stampa in fase liquida permette una solidificazione rapida all’interno di un mezzo fluido, garantendo precisione nella definizione delle tracce elettriche.
L’integrazione di particelle magnetiche nel metallo liquido consente anche la formazione di circuiti controllabili a distanza, che possono essere adattati o riconfigurati secondo necessità.
Sviluppi futuri e applicazioni potenziali
Accanto alla stampa 3D, esistono approcci alternativi basati sulle proprietà di bagnabilità, sulle trasformazioni di fase e sulla manipolazione magnetica del metallo liquido. In alcuni casi, il metallo può essere guidato lungo superfici trattate al laser, oppure impiegato in leghe preformate che cambiano stato con l’applicazione di calore.
Per applicazioni come il monitoraggio fisiologico, gli impianti bioelettronici o i sistemi robotici flessibili, è fondamentale che questi circuiti mantengano integrità elettrica anche sotto sollecitazioni meccaniche ripetute. Qi sottolinea come sia prioritario orientare la ricerca verso circuiti capaci di autoripararsi, adattarsi a diversi scenari d’uso e garantire un’integrazione efficace con i tessuti biologici.
L’obiettivo a lungo termine è anche quello di introdurre tecniche di produzione assistita da intelligenza artificiale, per migliorare l’accuratezza dei processi e facilitarne la scalabilità.
Verso un’elettronica più versatile
Combinando le caratteristiche peculiari dei metalli liquidi con soluzioni produttive avanzate, si aprono nuove possibilità per sviluppare dispositivi elettronici flessibili, riconfigurabili e adattivi, destinati a una vasta gamma di applicazioni nell’interazione uomo-macchina e nella tecnologia indossabile.
