Med hjälp av en laserprocess i ett steg, forskare skapade flexibla hybridmikrotrådar som leder elektricitet. (a) En optisk mikroskopbild av silver (svart) och silikon (klar) mikrokablar. (b) Bild av svepelektronmikroskopi av samma tillverkade struktur. Båda skalstaplarna är lika med 25 mikron. Upphovsman:Mitsuhiro Terakawa, Keio universitet
För första gången, forskare har använt ett enda steg, laserbaserad metod för att producera små, exakta hybridmikrostrukturer av silver och flexibel silikon. Denna innovativa laserbearbetningsteknik kan en dag möjliggöra smarta fabriker som använder en produktionslinje för att massproducera anpassade enheter som kombinerar mjuka material som konstruerad vävnad med hårda material som lägger till funktioner som glukosavkänning.
Metallkomponenten i mikrostrukturerna gör dem elektriskt ledande medan den elastiska silikonen bidrar till flexibilitet. Denna unika kombination av egenskaper gör strukturerna känsliga för mekanisk kraft och kan vara användbara för att göra nya typer av optiska och elektriska apparater.
"Denna typ av mikrostrukturer kan möjligen användas för att mäta mycket små rörelser eller förändringar, såsom en liten rörelse från en insekts kropp eller det subtila uttrycket som produceras av en mänsklig ansiktsmuskel, "sade forskargruppsledare Mitsuhiro Terakawa från Keio University, Japan. "Denna information kan användas för att skapa perfekta datorgenererade versioner av dessa rörelser."
Som beskrivs i tidningen Expressmaterial Express , från The Optical Society (OSA), forskarna producerade trådliknande strukturer av silver omgiven av en typ av silikon som kallas polydimetylsiloxan (PDMS). Forskarna använde PDMS eftersom det är flexibelt och biokompatibelt, vilket betyder att det är säkrare att använda på eller i kroppen.
De tillverkade strukturerna, som mäter så lite som 25 mikron bred, genom att bestråla en blandning av PDMS och silverjoner med extremt korta laserpulser som bara varar femtosekunder. På en femtosekund, ljuset går bara 300 nanometer, som bara är något större än de minsta bakterierna.
"Vi tror att vi är den första gruppen som använder femtosekundlaserpulser för att skapa ett hybridmaterial som innehåller PDMS, vilket är mycket användbart på grund av dess elasticitet, "sa Terakawa." Arbetet representerar ett steg mot att använda en enda, laserprecisionsteknik för tillverkning av biokompatibla enheter som kombinerar hårda och mjuka material. "
På bilden visas den optiska installationen för att skapa silver-silikon mikrokablar med elektrisk ledningsförmåga hos metall och elasticiteten hos en polymer. Forskarna använde femtosekundlaserpulser, som kommer genom objektivlinsen under scenen, för att skapa mikrostrukturerna. LED -ljuskällan används för att övervaka strukturen, som visas på datorskärmen till höger. Observera att den ljusa ljuskällan ovanför scenen inte är en femtosekundlaser, men en LED -lampa för belysning för övervakningen. Upphovsman:Mitsuhiro Terakawa, Keio universitet
Förvandla två laserprocesser till en
Ett-stegs tillverkningsmetod som används för att göra hybridmikrostrukturerna kombinerar de ljusbaserade kemiska reaktionerna som kallas fotopolymerisering och fotoreduktion, båda inducerades med användning av femtosekundlaserpulser. Fotopolymerisation använder ljus för att härda en polymer, och fotoreduktion använder ljus för att bilda mikrostrukturer och nanostrukturer från metalljoner.
Tillverkningstekniken härrör från ett samarbete mellan Terakawas forskargrupp, som har studerat två-foton fotoreduktion med mjuka material, och en grupp vid den tyska forskningsorganisationen Laser Zentrum Hannover, som har framskridit enkel-foton fotopolymerisation av PDMS.
För att skapa trådmikrostrukturerna, forskarna bestrålade PDMS-silverblandningen med ljus från femtosekundlaser som avger vid 522 nm, en våglängd som interagerar effektivt med materialblandningen. De valde också noggrant ut silverjoner som skulle kombinera bra med PDMS.
Forskarna fann att bara en laserskanning bildade trådar som uppvisar både metallens elektriska ledningsförmåga och elasticiteten hos en polymer. Ytterligare skanningar kan användas för att producera tjockare och mer enhetliga strukturer. De visade också att trådstrukturerna reagerade på mekanisk kraft genom att blåsa luft över strukturerna för att skapa ett tryck på 3 kilopascal.
Forskarna säger att förutom att göra trådkonstruktioner, tillvägagångssättet kan användas för att göra små 3D-metall-silikonstrukturer. Som ett nästa steg, de planerar att studera om de tillverkade trådarna behåller sin struktur och egenskaper över tid.
"Vårt arbete visar att samtidigt inducering av fotoreduktion och fotopolymerisering är en lovande metod för att tillverka elastiska och elektriskt ledande mikrostrukturer, "sa Terakawa." Detta är ett steg mot vårt långsiktiga mål att utveckla en smart fabrik för att tillverka många mänskligt kompatibla enheter i en produktionslinje, oavsett om materialen är mjuka eller hårda. "
