Circuiti che nascono nel ghiaccio la Frozen Deposition Printing del PEDOT il PSS

Deposizione congelata: come stampare PEDOT:PSS, scongelarlo e ottenere circuiti flessibili

Il principio
La Frozen Deposition Printing (FDP) usa un substrato tenuto a –15 °C. L’inchiostro conduttivo a base di PEDOT:PSS viene estruso, gela all’istante e mantiene il profilo depositato grazie all’elevata viscosità. Una volta completata la stampa, il campione passa a un ciclo di scongelamento e a una polimerizzazione secondaria che consolida la rete conduttiva.

Numeri chiave

• Conducibilità finale: ≈110 S/cm per le tracce consolidate.

• Raggio minimo di curvatura senza fratture: 2 mm.

• Geometrie tridimensionali sovrapposte realizzabili senza supporti, perché ogni layer ghiaccia e diventa autoportante.

Perché il ghiaccio aiuta
Il raffreddamento immediato limita lo spreading laterale del filamento liquido. Il profilo rimane definito, gli spigoli non collassano e si possono creare reticoli verticali, ponti e canali microfluidici che, in condizioni “calde”, richiederebbero strutture di sostegno o curing istantaneo con UV di alta potenza.

Formulazione dell’inchiostro
PEDOT:PSS in acqua, addensanti e plasticizzanti selezionati per:

• aumentare la viscosità a temperatura ambiente (così da non colare durante l’estrusione);

• mantenere flessibilità dopo la polimerizzazione;

• favorire la ricristallizzazione conduttiva dopo lo scongelamento (spesso si impiega DMSO, etilenglicole o acido solfonico per migliorare il trasporto di carica).

Sequenza di processo (workflow sintetico)

1. Preparazione del substrato: vetro, PET o idrogel su una piastra refrigerata; controllo di planarità e rugosità.

2. Stampa: estrusione controllata di filamenti continui; temperatura ugello leggermente sopra ambiente per evitare occlusioni.

3. Gelo istantaneo: il tratto solidifica, mantiene la sezione.

4. Scongelamento controllato: riscaldamento graduale per evitare tensioni interne.

5. Trattamento post‑stampa: polimerizzazione secondaria/annealing per aumentare la conducibilità, eventuale lavaggio per rimuovere PSS in eccesso.

6. Integrazione funzionale: saldatura di contatti, incapsulamento su elastomeri o idrogel.

Cosa abilita rispetto alla stampa diretta “a caldo”

• Linee sottili e multi-layer: depositi sovrapposti senza colature permettono interconnessioni 3D, via e crossover elettrici.

• Canali microfluidici dentro idrogel: si stampano pareti ghiacciate, poi si ingloba un idrogel liquido, quindi si scongela il tutto mantenendo il lume.

• Pattern conduttivi su supporti molli: patch cutanee, interfacce neurali, sensori di pressione su tessuti.

Esempi applicativi concreti

• Biosensori epidermici con elettrodi PEDOT:PSS aderenti alla pelle, accoppiati a microcanali per campioni di sudore o sebo.

• Patch neurologiche morbide per EEG o stimolazione periferica: il raggio di curvatura ridotto evita delaminazioni.

• Soft robotics: circuiti integrati in attuatori pneumatici in silicone.

• Lab-on-hydrogel: dispositivi che combinano flussi di reagenti e letture elettriche in un unico stampato.

Limiti e sfide

• Gestione termica: il salto termico ciclico può generare micro‑fessure se il substrato e il tracciato hanno coefficienti di espansione diversi.

• Velocità di stampa: l’estrusione su piano freddo rallenta; servono pompe peristaltiche o siringhe motorizzate con controllo fine della pressione.

• Uniformità della conducibilità: la rimozione non omogenea del PSS e la cristallizzazione localizzata possono creare zone meno conduttive.

• Scalabilità: piani refrigerati di grande formato e controllo dell’umidità ambientale sono necessari per passare dal laboratorio alla produzione pilota.

Dove entra l’industria

• Produttori di PEDOT:PSS (Heraeus Clevios, Agfa) possono offrire formulazioni specifiche per FDP.

• Maker di bioprinter e stampanti a siringa (CELLINK/BICO, RegenHU, nScrypt) potrebbero integrare moduli refrigerati.

• Aziende di dispositivi medici e wearable electronics possono sfruttare l’approccio per patch diagnostiche e sistemi terapeutici personalizzati.

Prossimi passi plausibili

• Pattern multimateriale: combinare PEDOT:PSS ghiacciato con idrogel conduttivi a base di grafene o MXene.

• Integrazione con laser sintering locale: per “aggiustare” la conducibilità solo in zone selezionate.

• Metrologia in linea: sensori ottici e termici per verificare spessore e resistenza mentre il pezzo è ancora freddo.

• Packaging elastomerico: incapsulamento in silicone o TPU stampato a freddo per ottenere dispositivi lavabili e riutilizzabili.