Una nueva técnica de impresión in situ para electrónica es lo bastante suave para funcionar sobre superficies delicadas, como el papel y la piel humana, según informan los investigadores.
Este avance podría hacer posibles tecnologías como tatuajes electrónicos integrados de alta adherencia y vendajes equipados con biosensores específicos para cada paciente.
“Cuando la gente oye el término ‘electrónica impresa’, espera que una persona cargue un sustrato y los diseños de un circuito electrónico en una impresora y, algún tiempo razonable después, retire un circuito electrónico plenamente funcional,” afirma Aaron Franklin, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Duke.
“A lo largo de los años han aparecido numerosos artículos de investigación que prometen este tipo de ‘electrónica completamente impresa’, pero la realidad es que el proceso implica sacar la muestra varias veces para hornearla, lavarla o aplicarle materiales mediante recubrimiento por centrifugado”, afirma Franklin. “La nuestra es la primera en la que la realidad coincide con la percepción pública.”
Los investigadores describen las técnicas en dos artículos, uno en Nanoscale y otro en ACS Nano.
El origen de los tatuajes electrónicos
John A. Rogers, actualmente profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Northwestern, desarrolló por primera vez el concepto de los llamados tatuajes electrónicos a finales de la década de 2000 en la Universidad de Illinois. A diferencia de un verdadero tatuaje inyectado de forma permanente en la piel, los tatuajes electrónicos de Rogers son parches finos y flexibles de caucho que contienen igualmente componentes eléctricos flexibles.
La película fina se adhiere a la piel de forma muy similar a un tatuaje temporal, y las primeras versiones de la electrónica flexible incluían monitores de actividad cardiaca y cerebral y estimuladores musculares. Aunque estos tipos de dispositivos están camino de su comercialización y fabricación a gran escala, no son adecuados en algunos ámbitos, como cuando es necesario modificar directamente una superficie añadiendo electrónica personalizada.
“Para que la impresión directa o aditiva sea realmente útil, es necesario poder imprimir la totalidad de lo que se imprime en un solo paso”, afirma Franklin. “Algunas aplicaciones más exóticas incluyen tatuajes electrónicos íntimamente conectados que podrían usarse para el etiquetado biológico o mecanismos de detección únicos, prototipado rápido de electrónica personalizada sobre la marcha y diagnósticos basados en papel que podrían integrarse fácilmente en vendajes personalizados.”
El primer artículo describe cómo el laboratorio de Franklin y el laboratorio de Benjamin Wiley, profesor de química, desarrollaron una tinta novedosa que contiene nanohilos de plata y que puede imprimirse sobre cualquier sustrato a bajas temperaturas con una impresora de aerosol. Produce una película fina que mantiene su conductividad sin ningún procesamiento adicional. Tras la impresión, la tinta se seca en menos de dos minutos y conserva su alto rendimiento eléctrico incluso después de soportar una deformación por flexión del 50 % más de mil veces.
En un vídeo que acompaña al primer artículo, el estudiante de posgrado Nick Williams imprime dos conductores activos electrónicamente a lo largo de la parte inferior de su dedo meñique. Hacia el extremo del dedo, conecta los conductores a un pequeño LED. Luego aplica un voltaje a la parte inferior de los dos conductores impresos, lo que hace que el LED permanezca encendido incluso cuando dobla y mueve el dedo.
En el segundo artículo, Franklin y el estudiante de posgrado Shiheng Lu dan un paso más con la tinta conductora y la combinan con otros dos componentes imprimibles para crear transistores funcionales. La impresora deposita primero una tira semiconductora de nanotubos de carbono. Una vez seca, y sin retirar el sustrato de plástico o papel de la impresora, la impresora crea dos conductores de nanohilos de plata que se extienden varios centímetros a cada lado. Luego imprime una capa dieléctrica no conductora de un material bidimensional, nitruro de boro hexagonal, sobre la tira semiconductora original, seguida de un electrodo de compuerta final de nanohilos de plata.
Un mejor proceso para la electrónica impresa
Con las tecnologías actuales, al menos uno de estos pasos requeriría retirar el sustrato para someterlo a un procesamiento adicional, como un baño químico para eliminar el material no deseado, un proceso de endurecimiento para garantizar que las capas no se mezclen, o un horneado prolongado para eliminar restos de material orgánico que pueden interferir con los campos eléctricos.
Sin embargo, la impresión in situ de Franklin no requiere ninguno de estos pasos y, a pesar de la necesidad de que cada capa se seque por completo para evitar la mezcla de materiales, funciona a la temperatura de procesamiento global más baja registrada hasta la fecha.
“Nadie pensaba que la tinta aerosolizada, especialmente para el nitruro de boro, aportaría las propiedades necesarias para fabricar electrónica funcional sin hornearla durante al menos una hora y media”, afirma Franklin. “Pero no solo logramos que funcionara, sino que demostramos que hornearla durante dos horas después de la impresión no mejora su rendimiento. Era tan buena como podía ser usando únicamente nuestro proceso de impresión in situ completo.”
Franklin no cree que su método de impresión vaya a reemplazar los procesos de fabricación a gran escala de electrónica portátil. Pero sí ve un valor potencial para aplicaciones como el prototipado rápido o situaciones en las que una talla no sirve para todos.
“Piensen en crear vendajes a medida que contengan electrónica, como biosensores, donde una enfermera simplemente podría acercarse a una estación de trabajo e introducir las características necesarias para un paciente concreto”, afirma Franklin. “Este es el tipo de capacidad de impresión bajo demanda que podría impulsar eso.”
El trabajo recibió apoyo del Programa de Investigación Médica del Departamento de Defensa de Estados Unidos dirigido por el Congreso, de los Institutos Nacionales de Salud y de la Fundación Nacional de Ciencias.
