Un gruppo di ricerca della Rice University (Houston, Texas), guidato dal professor Yong Lin Kong della George R. Brown School of Engineering and Computing, ha sviluppato un nuovo processo di stampa 3D che utilizza microonde focalizzate per sinterizzare inchiostri conduttivi a base di nanomateriali senza danneggiare i materiali sottostanti. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Science Advances il 6 febbraio 2026 con il titolo “Three-dimensional printing of nanomaterials-based electronics with near-field microwave 3D printing”. Il processo è stato denominato NFP, acronimo di near-field microwave 3D printing, e si basa su un dispositivo chiamato Meta-NFS, sviluppato in collaborazione con John Ho, professore associato di ingegneria delle microonde presso la National University of Singapore (NUS).
Il team di autori comprende, oltre a Kong e Ho, i ricercatori Xin Yang, Jian Teng e Yu Liu. Il finanziamento della ricerca è stato fornito dall’Office of Naval Research (ONR) e dai National Institutes of Health (NIH) degli Stati Uniti.
Il problema fondamentale della stampa 3D di elettronica: il calore che distrugge il substrato
Da oltre un decennio, uno degli ostacoli principali nella stampa 3D di componenti elettronici è stato il conflitto termico tra il processo di sinterizzazione degli inchiostri conduttivi e la resistenza al calore dei substrati su cui vengono depositati. Per rendere funzionale un inchiostro contenente nanoparticelle metalliche — ad esempio nanoparticelle d’argento — è necessario sottoporlo a un processo di ricottura (annealing), ovvero un riscaldamento controllato che consente la fusione delle nanoparticelle e la formazione di percorsi elettricamente conduttivi. Tuttavia, le temperature necessarie per questo processo danneggiano o distruggono i materiali polimerici, i biopolimeri e, in casi estremi, persino i tessuti biologici su cui l’inchiostro potrebbe essere depositato.
Metodi alternativi già esistenti, come l’irradiazione laser o i forni a raggi infrarossi, non riescono a risolvere completamente questo problema: il laser può lavorare con alta precisione ma è limitato alle superfici otticamente accessibili e ai materiali non opachi, mentre i forni riscaldano in modo indiscriminato tutta la struttura. La necessità di trovare un metodo selettivo, rapido e compatibile con substrati termosenibili ha spinto il gruppo di Kong a esplorare il dominio delle microonde.
Il dispositivo Meta-NFS: come funziona la struttura metamateriale per microonde in campo vicino
Il cuore tecnico della ricerca è il dispositivo Meta-NFS (metamaterial-inspired near-field electromagnetic structure), progettato congiuntamente da Yong Lin Kong e John Ho della National University of Singapore. Il dispositivo si basa su una struttura a risonatore ad anello diviso (split-ring resonator), elemento tipico dell’ingegneria dei metamateriali, opportunamente modificata per concentrare l’energia delle microonde in una zona di riscaldamento di dimensioni submillimetriche, inferiori a 200 micrometri — paragonabile alla larghezza di un capello umano.
Il principio fisico sfruttato è quello del riscaldamento volumetrico selettivo: le microonde generate dalla Meta-NFS vengono assorbite preferenzialmente dall’inchiostro a base di nanomateriali metallici — che ha un’elevata perdita dielettrica — mentre il substrato polimerico circostante, con perdita dielettrica molto bassa (tan δ = 0,02 a 2 GHz), resta relativamente freddo. Questo differenziale di assorbimento consente di riscaldare localmente solo l’inchiostro estruso dall’ugello del sistema di microestrusione, annealingandolo in situ durante il processo di deposizione strato su strato.
A livello quantitativo, il sistema è in grado di ridurre la resistività elettrica dell’inchiostro a nanoparticelle d’argento di oltre tre ordini di grandezza, portandola fino a 4,9 × 10⁻⁵ ohm·cm a 15 W di potenza in ingresso — un valore che si avvicina alla conducibilità dell’argento in forma massiva (1,6 × 10⁻⁶ ohm·cm). I parametri regolabili durante il processo includono la frequenza di risonanza, la potenza in ingresso, la larghezza degli impulsi e la pressione di estrusione, consentendo una programmazione spaziale fine delle proprietà elettriche e meccaniche della struttura stampata.
Materiali stampabili e tipologie di inchiostri compatibili
Il processo NFP con Meta-NFS è stato validato con diverse classi di inchiostri funzionali. L’inchiostro primario testato è a base di nanoparticelle d’argento, ma il sistema si estende anche a inchiostri per termoindurenti (epoxy contenenti nanotubi di carbonio, CNT, e modificatori reologici come agente assorbitore di microonde), inchiostri ceramici e inchiostri drogati con altri nanomateriali. Per gli inchiostri a bassa perdita dielettrica, il gruppo di ricerca ha dimostrato la possibilità di aggiungere materiali suscettori per aumentare l’assorbimento delle microonde e ampliare ulteriormente la gamma di materiali compatibili con il processo.
Un risultato tecnico specifico riguarda la stampa di strutture termoindurenti: il sistema Meta-NFS ha consentito la reticolazione in situ di un inchiostro epossidico contenente meno del 5% in peso di additivi (CNT e modificatore reologico), producendo come prova di concetto una molla libera in grado di sopportare una deformazione elastica superiore al 250% con una costante elastica di 0,271 N/m.
Substrati di stampa: dai polimeri ai tessuti biologici
Uno dei risultati più significativi del processo NFP è la sua compatibilità con substrati che fino a oggi erano considerati inaccessibili per la stampa di elettronica funzionale. Il gruppo di Kong ha dimostrato la possibilità di depositare e processare inchiostri conduttivi su biopolimeri, su osso e, nel caso più estremo, su tessuto biologico vivente — tutti materiali che non tollerano le temperature elevate richieste dai processi di annealing convenzionali.
Come prova di concetto applicativa, il team ha prodotto sensori di deformazione (strain sensors) a partire da polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE, ultra-high-molecular-weight polyethylene), assemblando un circuito destinato a operare in ambiente corporeo. La scelta dell’UHMWPE è significativa perché si tratta di un materiale con punto di fusione relativamente basso e sensibile al calore, il che lo rendeva incompatibile con i processi di sinterizzazione tradizionali.
Applicazioni in sviluppo: dal corpo umano ai robot morbidi e ai droni
Il gruppo di ricerca di Yong Lin Kong sta attivamente sviluppando diverse classi di dispositivi basati sul processo NFP con Meta-NFS. Le applicazioni in corso di sviluppo comprendono: sistemi elettronici ingeribili per la diagnostica personalizzata e la somministrazione di farmaci; dispositivi bionici progettati per interfacciarsi direttamente con organi biologici; robot morbidi di nuova generazione con elettronica integrata ad alta densità funzionale; droni con funzionalità elettroniche integrate direttamente nella struttura.
Secondo Kong, il processo Meta-NFS apre la strada a classi di dispositivi ibridi che non era possibile neppure concepire con gli approcci produttivi precedenti. L’utilizzo di un sistema di dimensioni desktop — senza la necessità di strutture complesse o processi manuali ad alta intensità di lavoro — potrebbe abbassare in modo sostanziale la barriera d’ingresso per la produzione di circuiti integrati e sensori su scala ridotta, con potenziali applicazioni nel monitoraggio della salute, nell’elettronica indossabile per il monitoraggio del glucosio, e nell’integrazione di sensori in infrastrutture fisiche come edifici, ponti e lampioni
