Технология 3D-печати полупроводниковыми компонентами разработана американскими учеными

Группа ученых из Принстонского университета под руководством доцента Майкла МаклЭлпайна (Michael McAlpine) разработала технологию 3D-печати полупроводниковыми компонентами. Новую технологию можно использовать для создания объемных электрических схем и упрощения интеграции гибкой электроники в биосовместимые материалы. Разработчики предполагают, что их технология поможет создать более совершенные имплантаты и протезы. «С нашими полупроводниковыми расходными материалами можно напечатать схему для решения любой задачи», – комментирует разработку МакЭлпайн.

Разработчики новой технологии. В центре – руководитель группы Майкл МакЭлпайн

Пока речь не идет о создании сложных чипов, микропроцессоров или контроллеров дисплеев, для изготовления которых требуется свыше миллиарда транзисторов, напечатанных с разрешением в несколько нанометров. Такое разрешение недостижимо для современных 3D-принтеров, да и не везде требуется такая точность.

«Полупроводниковые материалы можно использовать для контролируемой 3D-печати для выращивания нервных тканей, – рассказывает МакЭлпайн. – Если нам удастся напечатать на подложке микроскопические светодиоды, то их свет станет стимулом для отдельных нервных клеток и направит их миграцию между волокнами полимеров. Также свет окажет стимулирующее воздействие на нервные окончания и улучшит взаимодействие с протезом».

При использовании «умных» протезов человеку довольно сложно к ним приспособиться, научиться чувствовать их и управлять ими, но игра стоит свеч. Для начала пациенту необходимо установить четкую и устойчивую обратную связь с протезом (имплантом) через собственную нервную ткань. На современном этапе для этого используются опосредованные методы, тактильный и визуальный контроль. Интеграция микросхем и нервных клеток – это еще мало изученное, но весьма перспективное направление.

3D-печатное бионическое ухо

В 2013 году похожую технологию использовали при создании биоэлектронного (бионического) уха, которое было напечатано на 3D-принтере из живых клеток пациента, удерживаемых на гидрогелевой матрице. Печать производилась суспензией с наночастицами серебра, с помощью которых в слое гидрогеля создали катушку индуктивности. Бионическое ухо, словно портативный радиоприемник, принимает радиоволны и преобразует их в звук. Затем ученые создали картриджи с проводящими и полупроводниковыми материалами.

«Существует ряд проблем взаимодействия биологических и электронных материалов из-за различных механических свойств и разной температурной устойчивости, – комментирует МакЭлпайн. – Ранее ученые уже предлагали методы адаптации электроники к живым тканям, но слияние возможно лишь на плоской поверхности. Мы предложили совершенно новый метод выращивания биологических компонентов вместе с электронными в процессе 3D-печати».

Чтобы продемонстрировать возможности новой технологии, ученые изготовили миниатюрный светодиод, встроенный в контактную линзу. Создание светодиода потребовало высокого разрешения и большей точности печати. Ученым пришлось увеличить разрешение печати в тысячу раз, с одного миллиметра до одного микрометра.

3D-печатная линза со встроенным светодиодом

Светодиоды были изготовлены из квантовых точек на основе сульфида цинка и селенида кадмия, которые люминесцируют (излучают свет) под электрическим напряжением. Во время печати контактов и проводников устройства было использовано два вида металлов, при этом все элементы конструкции удерживались вместе за счет силиконовой матрицы. Кроме того, ученые напечатали из полимеров куб с восемью попарно расположенными светодиодами оранжевого и зеленого цвета.

«Микроскопические светодиоды – это самый простой пример компонентов активной электроники, – комментирует МакЭлпайн. – Когда-нибудь мы научимся интегрировать сенсоры и электронные схемы любой сложности в живые ткани».