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Impresión de inyección de tinta a nanoescala
Se ha desarrollado un nuevo tipo de impresora de inyección de tinta que puede imprimir con precisión puntos de diversos materiales de tan solo 250 nanómetros de diámetro. La impresora de inyección de tinta podría hacer posible sintetizar rápidamente estructuras complejas a nanoescala a partir de varios materiales.
Nano impresión: Esta imagen muestra una imagen de una flor impresa con una nueva impresora de inyección de tinta electrohidrodinámica. Cada punto tiene solo ocho micrómetros de diámetro y está formado por nanotubos de carbono de pared simple.
El objetivo es fabricar, dice John Rogers , profesor de ingeniería en la Universidad de Illinois, Urbana Champaign. Las nuevas impresoras pueden utilizar una amplia gama de materiales para fabricar dispositivos novedosos, desde electrónica de plástico y pantallas flexibles hasta células fotovoltaicas y nuevos sensores biomédicos, dice Rogers.
Los investigadores han demostrado que las nuevas impresoras de inyección de tinta pueden imprimir patrones muy precisos de polímeros conductores de electricidad y nanotubos de carbono; también han demostrado que el ADN se puede imprimir sin dañarlo. Es difícil hacer esto con las técnicas tradicionales de fabricación de silicio, dice Rogers.
A menudo, los nanomateriales necesarios para fabricar dispositivos biomédicos ultrapequeños y componentes electrónicos basados en polímeros a nanoescala están en solución, lo que significa que no se prestan a las técnicas tradicionales de microfabricación. Debido a esto, la impresión es una alternativa atractiva, tanto en términos de costo como de complejidad, dice Heiko Wolf de Laboratorios de investigación de IBM Zurich 'Grupo de dispositivos y estructuras a nanoescala, en Suiza.
Pero el modelado de estructuras a nanoescala ha resultado ser un desafío hasta ahora. Las impresoras de inyección de tinta convencionales están limitadas a resoluciones de aproximadamente 25 micrómetros, dice Rogers.
Las impresoras de inyección de tinta tradicionales funcionan empujando la tinta hacia afuera de una boquilla para formar gotas, ya sea calentando la tinta o aplicando presión física para expulsarla. Si bien esto funciona bien en la escala micrométrica, los problemas de tensión superficial y flujo de fluidos comienzan a convertirse en una barrera cuando los investigadores intentan reducir su tamaño. Cuanto menor sea el tamaño de la boquilla, más difícil será que el fluido fluya a través de ella, dice Rogers. Entonces, la cantidad de fuerza que necesita aplicar aumenta de manera desproporcionada.
Para superar esto, Rogers y sus colegas utilizan un enfoque diferente, llamado impresión por inyección de tinta electrohidrodinámica (o e-jet). Extraemos los fluidos en lugar de empujarlos, dice.
Esto implica el uso de campos eléctricos para crear las gotas y se basa en que haya una cierta cantidad de partículas cargadas eléctricamente, o iones, dentro del fluido. Las fuerzas capilares extraen el líquido de su depósito para formar una gota semiesférica que cuelga de su borde, como una gota de agua en un grifo.
Al usar electrodos para crear un campo eléctrico entre la punta de la boquilla y el sustrato sobre el que se desea imprimir el material, es posible hacer que la gota sea cónica, dice Rogers. Los iones se acumulan en la superficie del fluido, en el vértice del cono, dice. Esta concentración de iones permite que la punta del cono se rompa y forme una gota que es solo una fracción del volumen del cono.
Puede generar gotas que son más pequeñas que el diámetro de la boquilla, dice Rogers. Realmente solo estás pellizcando gotas. Es solo en la punta del cono donde se forman las gotas.
Con este enfoque, Rogers y sus colegas han demostrado que pueden imprimir líneas de un material de 700 nanómetros de ancho o puntos individuales de solo 250 nanómetros de diámetro.
Además del tamaño de las gotas, también se mejora la precisión espacial, dice Rogers. Él y su equipo descubrieron por casualidad que el campo utilizado para crear la gota también ayuda a guiar la gota cargada hacia el sustrato objetivo. Eso fue una especie de bonificación, dice Rogers.
Las impresoras electrohidrodinámicas se han utilizado en el pasado, dice Howard Taub , director asociado de HP Labs, en Palo Alto, CA. La novedad aquí es la alta resolución, dice.
Pero, dice Taub, lo que estos nuevos e-jets compensan en resolución, carecen de velocidad. Los altos voltajes requeridos para generar los campos pueden ser difíciles de pulsar para imprimir rápidamente. Las impresoras normales pueden expulsar gotas del orden de entre 10.000 y 100.000 veces por segundo. Los e-jets de Rogers, por otro lado, operan alrededor de 1000 veces por segundo.
Una solución es utilizar conjuntos de cabezales de inyección de tinta, dice Taub. Pero esto puede conducir a más problemas, dice: las gotas van a interactuar entre sí porque están cargadas. Así que tendrías que mantenerlos separados.
Rogers dice que su grupo está trabajando en el tema de la velocidad. Él y sus colegas ya han demostrado que las boquillas se pueden colocar tan cerca como 250 micrómetros sin que interactúen las gotas. Ahora están trabajando con varios fabricantes para comercializar la tecnología.