I ricercatori internazionali approfondiscono l’area della scienza dei materiali e della stampa 3D – un tema comune oggi – ma in questo studio, la conduttività è al centro. Descrivendo in dettaglio le loro scoperte nella ” Stampa 3D dei polimeri conduttori ” recentemente pubblicata , gli autori chiariscono che mentre tali polimeri offrono un grande potenziale in applicazioni come l’elettronica, ci sono ancora sfide da superare.
Nello sviluppo di un inchiostro polimerico conduttore ad alte prestazioni a base di poli (3,4-etilendioxythiophene): polistirene solfonato (PEDOT: PSS), i ricercatori hanno cercato di creare una soluzione concentrata di nanofibrille.
a, b, PEDOT incontaminato: la soluzione PSS (a) può essere convertita in un inchiostro polimerico conduttore stampabile 3D (b) mediante liofilizzazione in condizioni criogeniche e rdispersione con un solvente. c, i polimeri conduttori stampati in 3D possono essere convertiti in un PEDOT puro: PSS sia in stato secco che in idrogel mediante ricottura a secco e conseguente gonfiore in ambiente umido, rispettivamente. d Immagine CryoTEM di un PEDOT incontaminato: soluzione PSS. e Immagine CryoTEM di un inchiostro polimerico conduttore stampabile in 3D. f Immagine TEM di un polimero conduttore stampato in 3D ricotto a secco. g – j Immagini di sospensioni ri-disperse con PEDOT variabile: concentrazione di nanofibrilla PSS. k Caratterizzazione SAXS di inchiostri polimerici conduttori con PEDOT variabile: concentrazione di nanofibrilla PSS. La d-spaziatura L è calcolata dall’espressione di Bragg L = 2π / qmax. l Viscosità apparente in funzione della velocità di taglio per condurre inchiostri polimerici con PEDOT variabile: concentrazione di nanofibrilla PSS. m Viscosità apparente degli inchiostri polimerici conduttori in funzione di PEDOT: concentrazione di nanofibrilla PSS. n Modulo di conservazione del taglio in funzione della sollecitazione di taglio per condurre inchiostri polimerici con PEDOT variabile: concentrazione di nanofibrilla PSS. o Sforzo di snervamento del condurre inchiostri polimerici in funzione di PEDOT: concentrazione di nanofibrilla PSS. Per le immagini TEM in (d – f), gli esperimenti sono stati ripetuti (n = 5) sulla base di campioni preparati indipendentemente con risultati riproducibili. Barre di scala, 100 nm. Concentrazione di nanofibrilla PSS. o Sforzo di snervamento del condurre inchiostri polimerici in funzione di PEDOT: concentrazione di nanofibrilla PSS. Per le immagini TEM in (d – f), gli esperimenti sono stati ripetuti (n = 5) sulla base di campioni preparati indipendentemente con risultati riproducibili. Barre di scala, 100 nm. Concentrazione di nanofibrilla PSS. o Sforzo di snervamento del condurre inchiostri polimerici in funzione di PEDOT: concentrazione di nanofibrilla PSS. Per le immagini TEM in (d – f), gli esperimenti sono stati ripetuti (n = 5) sulla base di campioni preparati indipendentemente con risultati riproducibili. Barre di scala, 100 nm.
Con ‘stampabilità superiore’, l’inchiostro polimerico offre una gamma di funzionalità ad alte prestazioni, stampando con:
Alta risoluzione
Proporzioni elevate
Strutture a sbalzo
In questo studio, i ricercatori hanno creato campioni di maglie di stampa dell’inchiostro tramite ugelli di diametro 200, 100, 50 e 30 µm. Le strutture potrebbero essere facilmente trasformate in forma secca o idrogel, con una “stabilità a lungo termine” prevedibile in ambienti umidi senza degrado, anche dopo una conservazione per sei mesi.
a – d Immagini SEM di maglie polimeriche conduttive stampate in 3D di ugelli da 200 µm (a), 100-µm (b), 50-µm (c) e 30-µm (d). e Istantanee sequenziali per la stampa 3D di una struttura a rete a 20 strati mediante l’inchiostro polimerico conduttore. f Maglia polimerica conduttiva stampata in 3D dopo ricottura a secco. g Maglia polimerica conduttiva stampata in 3D nello stato di idrogel. h Istantanee sequenziali per la stampa 3D di funzioni a sbalzo su strutture ad alto rapporto di formato mediante l’inchiostro polimerico conduttore. i Struttura polimerica conduttiva stampata in 3D con caratteristiche sporgenti nello stato di idrogel. Barre di scala, 500 µm (a); 200 µm (b – d); 1 mm (a – d, pannelli inseriti); 2 mm (e – i).
L’inchiostro può anche essere facilmente integrato nei processi di stampa 3D multi-materiale, dimostrato durante lo studio in quanto il team ha creato una struttura simile a una matrice multi-elettrodo ad alta densità (MEA) basata sulla stampa 3D multi-materiale dell’inchiostro polimerico conduttore e un inchiostro isolante in polidimetilsilossano (PDMS), il tutto entro 30 minuti.
“La struttura simile a MEA stampata in 3D mostra un complesso schema di elettrodi in microscala e un pozzetto PDMS che sono paragonabili a un MEA disponibile in commercio fabbricato con processi litografici in più fasi e post-assemblaggio”, hanno affermato i ricercatori.
a Conduttività in funzione del diametro dell’ugello per polimeri conduttori stampati in 3D negli stati secco e idrogel. b Conduttività in funzione del raggio di curvatura per polimeri conduttori stampati in 3D negli stati secco (17 µm, spessore) e idrogel (78 µm, spessore). PI indica poliimmide. c Conduttività in funzione dei cicli di piegatura per polimeri conduttori stampati in 3D negli stati secco (17 µm, spessore) e idrogel (78 µm, spessore). d Grafico di Nyquist ottenuto dalla caratterizzazione EIS per un polimero conduttore stampato in 3D su substrato Pt (78 µm, spessore) sovrapposto al diagramma previsto dal corrispondente modello circuitale equivalente38. Nei modelli di circuito equivalente, Re rappresenta la resistenza elettronica, Ri rappresenta la resistenza ionica, Rc rappresenta la resistenza ohmica totale del gruppo cellulare, CPEdl rappresenta l’elemento di fase costante a doppio strato (CPE), mentre CPEg rappresenta il CPE geometrico. CPE viene utilizzato per tenere conto della capacità disomogenea o imperfetta e sono rappresentati dai parametri Q e n dove Q rappresenta il valore di peudocapacitance e n rappresenta la deviazione dal comportamento capacitivo ideale. La vera capacità C può essere calcolata da questi parametri usando la relazione C = Qωmaxn − 1, dove ωmax è la frequenza alla quale il componente immaginario raggiunge un massimo37. I valori adattati per PEDOT stampato in 3D: PSS sono Re = 107.1 Ω, Ri = 105.5 Ω, Rc = 14.07 Ω, Qdl = 1.467 × 10−5 F sn − 1, ndl = 0.924, Qg = 4.446 × 10−7 F sn − 1 e ndl = 0.647. Caratterizzazione CV per un polimero conduttore stampato in 3D su substrato Pt. f Caratterizzazioni di nanoindentazione per polimeri conduttori stampati in 3D negli stati secco e idrogel con adattamenti del modello JKR. I valori in (a – c) rappresentano la media e la deviazione standard (n = 5 per ciascuna condizione di test basata su campioni preparati in modo indipendente ed esperimenti eseguiti).
Poiché i polimeri sono altamente riproducibili, possono essere stampati rapidamente in 3D con oltre 100 schemi circuitali in meno di 30 minuti, mostrando “elevata conducibilità elettrica”. Questo tipo di produzione offre un’alternativa al getto d’inchiostro o alla serigrafia, insieme a una maggiore versatilità nelle opzioni di progettazione, a seconda delle applicazioni richieste.
a Istantanee sequenziali per la stampa 3D di schemi di circuiti elettronici flessibili ad alta densità mediante l’inchiostro polimerico conduttore. b Accensione del LED sul circuito polimerico conduttore stampato in 3D. PETE indica polietilentereftalato. c Piegatura del circuito polimerico conduttore stampato in 3D senza guasti. d Immagine della sonda neurale morbida stampata in 3D con 9 canali dall’inchiostro polimerico conduttore e dall’inchiostro PDMS. e Immagine della sonda neurale morbida stampata in 3D in vista ingrandita. f Immagini della sonda neurale morbida impiantata in 3D (in alto) e di un mouse che si muove liberamente con la sonda impiantata (in basso). g, h Registrazioni elettrofisiologiche rappresentative nel mouse dHPC mediante la sonda neurale morbida stampata in 3D. Tracce di potenziale di campo locale (LFP) (da 0,5 a 250 Hz) in condizioni di movimento libero (g). Tracce di potenziale d’azione extracellulare continuo (AP) (da 300 a 40 kHz) registrate in condizioni di movimento libero (h). i Analisi delle componenti principali dei potenziali di singola unità registrati da (h). j Media di due unità di forme d’onda di picco registrate nel tempo corrispondenti ai cluster in (i). Barre di scala, 5 mm (a – c); 1 mm (d, e); 2 mm (f).
Gli esperimenti sono stati condotti utilizzando una stampante 3D in stile gantry cartesiano personalizzata di Aerotech , che offre una varietà di dimensioni di ugelli. La conduttività è stata misurata nei polimeri stampati in 3D mentre i ricercatori hanno impiegato una sonda a quattro punti. I campioni sono stati preparati tramite uno strato di inchiostro polimerico conduttore stampato in una forma rettangolare di 30 mm di lunghezza e 5 mm di larghezza, con ugelli da 100 µm su substrati di vetro ed elettrodi a filo di rame fissati con pasta d’argento alle superfici.
“Questo lavoro non solo affronta le sfide esistenti nella stampa 3D dei polimeri conduttori, ma offre anche una promettente strategia di fabbricazione per l’elettronica flessibile, i dispositivi indossabili e la bioelettronica basata sui polimeri conduttori”, hanno concluso i ricercatori.