3D-печать: умные чернила меняют цвет и проводят ток

Новый тип "чернил" на основе светочувствительных полимеров открывает возможности для 3D-печати электрохимически переключаемых и проводящих полимерных структур. Исследователи из Гейдельбергского и Штутгартского университетов успешно интегрировали так называемые редокс-полимеры в процесс аддитивного производства с использованием цифровой светодиодной печати (DLP).

Созданные сложные двух- и трехмерные объекты могут быть изменены электрохимическим способом, что приводит к изменению их цвета. Это открывает новые перспективы для производства 3D-печатных оптоэлектронных устройств.

Работа проводилась в рамках исследовательской программы "Смешанный ионно-электронный транспорт: от основ к приложениям", поддерживаемой обоими университетами. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Цифровая светодиодная печать (DLP) – это световой 3D-процесс, при котором светочувствительные "чернила" послойно формируют трехмерный объект посредством избирательного облучения УФ-светом. По сравнению с другими методами аддитивного производства, DLP позволяет быстро создавать сложные структуры.

"Несмотря на успешное применение технологии, например, в стоматологии, 3D-печать проводящих полимеров для оптоэлектроники методом DLP до сих пор представляла собой непростую задачу", — поясняет профессор Ева Бласко. Исследователь и ее команда в Институте молекулярных системных инженеров и передовых материалов Гейдельбергского университета занимаются разработкой уникальных функциональных материалов для 3D-печати. Проект осуществлялся в тесном сотрудничестве с группой профессора Сабины Людвигс из Института химии полимеров Штутгартского университета, специализирующейся на проводящих полимерах и электрохимическом переключении.

Разработка и тестирование новых редокс-чернил

Две исследовательские группы разработали новые чернила на основе метакрилата, содержащие редокс-активные карбазольные группы. Эти редокс-единицы позволяют материалам отдавать или принимать электроны в своих полимерных цепях, что делает их электропроводными и способными изменять цвет в зависимости от степени их окисления или восстановления. В своей текущей работе исследователи смогли использовать эту фотопроводящую рецептуру "чернил" для изготовления структур, которые можно манипулировать электрохимически даже после печати, сохраняя свои переключаемые свойства.

"Это исследование стало возможным благодаря тесному междисциплинарному сотрудничеству в наших лабораториях в Гейдельберге и Штутгарте", — подчеркивают Кристиан Дельевир и Свенья Бехтольд, оба работающие над своими диссертациями в рамках исследовательской программы.

Изменяющие цвет структуры и будущие применения

Используя эту карбазолсодержащую рецептуру "чернил", были аддитивно изготовлены двумерные массивы пикселей, шашечные узоры, а также многослойная трехмерная пирамида. Первоначально почти прозрачные, эти сложные структуры сначала приобрели светло-зеленый цвет под действием электрохимической стимуляции, затем стали темно-зелеными и, в конечном итоге, практически черными.

"Этот процесс полностью обратим и может управляться на уровне отдельных пикселей в зависимости от структуры. Особенно интересным является управление в третьем измерении, то есть по высоте архитектуры", — добавляет профессор Людвигс.

По мнению профессоров Бласко и Людвигс, сочетание высокоточечной световой 3D-печати с редокс-полимерами открывает новые возможности для аддитивного производства пиксельных дисплеев или актуаторов для софт-робототехники, где объем может переключаться электрохимически.