Серебряные электроды спеклись на коже при комнатной температуре

Китайские и американские ученые разработали метод нанесения и спекания тонких серебряных электродов прямо на коже при комнатной температуре. Им удалось достичь этого благодаря вспомогательному слою, который увеличивает зернограничную диффузию и тем самым снижает температуру спекания серебряных наночастиц. После нанесения электродов к ним можно подключить считывающую электронику и использовать в качестве носимого устройства, рассказывают авторы статьи в ACS Applied Materials & Interfaces.

Уже не первый год ученые и исследователи экспериментируют с электронными устройствами, тем или иным образом наносимыми прямо на кожу человека. Это позволяет создавать на коже проводящие (а зачастую и весьма красивые) узоры, используемые для передачи сигнала или в качестве сенсорных панелей. Первые подобные работы основывались на подложках, наклеиваемых на кожу, а в последнее время все чаще используется прямое нанесение с помощью 3D-принтера. Изначально основная проблема с этим способом заключалась в том, что человеку трудно несколько минут держать руку или другую часть тела абсолютно неподвижной, а если рука двигается, то реально печатаемый узор отличается от запланированного. В последних работах эту проблему уже решили с помощью отслеживания и компенсации движения руки и даже с помощью закрепления принтера прямо на руке.

Но пока не решена проблема с самим материалом печати: в текущих разработках используются вязкие электропроводные пасты и гидрогели, не стойкие к мытью или механическим воздействиям, а спекать металлические частицы на руке неприемлемо из-за высокой температуры. Ученые под руководством Хуаньюя Чэна (Huanyu Cheng) из Харбинского политехнического института и Университета штата Пенсильвания разработали новый метод нанесения серебряных проводящих дорожек на кожу с последующим спеканием при комнатной температуре, потенциально применимый для 3D-печати.

Метод использует прямое нанесение материала в два этапа. Сначала на всю область кожи, предназначенную для печати, необходимо нанести вспомогательный слой из смеси поливинилового спирта и карбоната кальция. Затем с помощью штампа с заданным узором (под каждый узор нужен отдельный штамп) необходимо нанести на вспомогательный слой наночастицы серебра с диаметром 50 нанометров (авторы также экспериментировали с другими диаметрами и материалами). В результате на руке образуется двухслойная структура с примерно микрометровым слоем поливинилового спирта и карбоната кальция и монолитным слоем серебра толщиной примерно в половину микрометра.

Если вспомогательный слой состоит только из поливинилового спирта, то спекание происходит при температуре 300 градусов Цельсия и на это уходит около часа. Однако если добавить вещества с катионными группами, то температуру можно значительно снизить. Ученые считают, что механизм снижения обусловлен тем, что серебряные наночастицы в растворителе имеют отрицательный заряд, а катионные группы, образующиеся в смеси поливинилового спирта и некоторых веществ (исследователи показали, что этот эффект с разной интенсивностью проявляется не только при добавлении карбоната кальция, но и для нескольких оксидов и титаната бария, но для карбоната он был максимальным) компенсируют его и увеличивают коэффициент зернограничной диффузии. Это в свою очередь обуславливает образование и рост «шеек» при контакте двух соседних наночастиц. Ученые подтвердили роль катионных радикалов, добавив во вспомогательный слой ингибитор свободных радикалов L-аскорбиновую кислоту (витамин C) и показав, что при тех же условиях спекания не происходит.

После нанесения материалов узор желательно высушить феном в течение 30 секунд, а снять его можно, промыв горячей водой (от 60 градусов Цельсия и выше). Авторы исследования показали несколько применений метода, создав датчик температуры, работающий благодаря изменению проводимости серебряных проводящих дорожек, и датчик влажности. Также они создали на кисти руки пульсоксиметрический датчик с двумя светодиодами и одним фотодиодом, соединенными с помощью серебряных электродов.

Недавно китайские ученые создали биопринтер-эндоскоп, который способен в сложенном состоянии проникать в желудок, раскладываться и печать на стенках органа «заплатки» из гидрогелей с живыми клетками.

Григорий Копиев