Технологии наночернил и печати могут позволить ремонтировать и производить электронику в космосе

Исследователи, а также игрушечный Cy the Cyclone, тестируют свои технологии наночернил и принтеров во время полета NASA в условиях микрогравитации. На фото слева направо: Фэй Лю, Яньхуа Хуан, Мэтью Марандер, Сюэпэн Цзян и Павитра Премаратне. Автор: Shan Jiang

Инженер из Университета штата Айова парит в воздухе, в то время как другие исследователи крепко держатся за металлическую раму, окружающую и поддерживающую их специальный принтер. Это не обычная фотография, которую вы видите в научной работе. Испытания на борту полетов в условиях микрогравитации также не являются типичными экспериментами с материалами.

Путь к этим экспериментам начался, когда исследовательская группа под руководством Шань Цзяна, доцента кафедры материаловедения и инженерии из Университета штата Айова, и Хантана Циня, бывшего сотрудника Университета штата Айова, а ныне доцента кафедры промышленной и системной инженерии в Университете Висконсин-Мэдисон, задались вопросом, будут ли их технологии чернил и принтеров работать в условиях невесомости космоса.

Чернила содержат наночастицы серебра, синтезированные с использованием полимеров на биологической основе. После термической обработки чернила могут проводить электричество и, следовательно, печатать электрические схемы. Принтер использует электрогидродинамическую печать или 3D-печать, которая выбрасывает чернила под действием электрического поля с разрешением в миллионные доли метра. Электрическое поле может устранить необходимость в гравитации для нанесения чернил.

Если технологии будут работать вместе в условиях невесомости, космонавты смогут использовать их для создания электрических цепей для космических аппаратов или ремонта оборудования. А космонавты смогут производить дорогостоящие электронные компоненты в особой среде космоса с невесомостью.

НАСА тоже задавалось вопросом, сработает ли это.

Автор: ACS Applied Materials & Interfaces (2024). DOI: 10.1021/acsami.4c07592

Погружение в микрогравитацию

По словам Цзяна, исследователи прикрепили принтер к полу самолета и приготовились «по сути к американским горкам».

Самолет НАСА будет непрерывно подниматься и нырять, циклически поднимаясь с высоты около 24 000 футов над Флоридой до 32 000 футов, а затем обратно до 24 000. Фаза погружения обеспечивала около 10 секунд полной невесомости.

«Это было волнительно и ново», — сказал Цзян.

Укачивание было проблемой для некоторых. Другие наслаждались острыми ощущениями. Цзян почувствовал себя «замороженным», когда впервые испытал микрогравитацию. «Я был пуст».

Но это не продлилось долго. «В этот проект было вложено столько времени и инвестиций. Мы хотели добиться хороших результатов».

Но печать в течение нескольких секунд за раз в условиях микрогравитации «является очень сложным экспериментом», — сказал Цзян. «На земле, где все стабильно, это очень просто. Но если во время полета что-то ослабнет, вы потеряете печать».

Хороший пример — первый полет в условиях микрогравитации. Принтер не был должным образом защищен от тряски и вибрации самолета.

«Это очень интенсивные эксперименты, требующие большой командной работы и подготовки», — сказал Цзян.

Итак, команда вернулась к работе, внесла некоторые изменения, провела больше испытательных полетов и добилась лучших результатов.

«Этот экспериментальный эксперимент в условиях микрогравитации доказывает уникальную возможность (электрогидродинамической) печати в условиях невесомости и открывает новые возможности для будущего производства по запросу в космосе», — пишут исследователи в статье, опубликованной в журнале Applied Materials & Interfaces.

Создание новых наночернил

Главной инновацией исследовательской группы Цзяна стала разработка нового лабораторного метода синтеза чернил с наночастицами серебра.

«Это новое сочетание материалов, поэтому нам нужен был новый рецепт изготовления чернил», — сказал Цзян.

В проекте также используется богатый ресурс Айовы — растительная биомасса.

Чернила включают биополимер под названием 2-гидроксиэтилцеллюлоза, который обычно используется в качестве загустителя. Но это также экономически эффективный, биосовместимый, универсальный и стабильный материал для чернил, необходимых для струйной печати высокого разрешения под действием электрического поля.

«В Айове много биомассы», — сказал Цзян. «Поэтому мы всегда пытаемся использовать эти молекулы на биологической основе. Они создают замечательный полимер, который делает для нас все трюки».

Цзян назвал это «самым большим сюрпризом этого исследования. Мы не знали этого раньше. Теперь мы знаем, что можно сделать с этими биополимерами».

Исследовательский фонд Университета штата Айова подал патент на новые наночернила, и в настоящее время технология доступна для лицензирования.

«Этот успех на самом деле только начало», — сказал Цзян. «По мере того, как человечество все глубже проникает в космос, потребность в производстве электроники по запросу на орбите уже не является научной фантастикой; это необходимость».

Следующим направлением деятельности исследователей может стать разработка 3D-космической печати для других электронных компонентов, таких как полупроводники.

В конце концов, Цзян сказал: «Нельзя просто изготовить один компонент и собрать электронное устройство».

Больше информации: Tyler Kirscht et al, Silver Nano-Inks Synthesized with Biobased Polymers for High-Resolution Electrohydrodynamic Printing Toward In-Space Manufacturing, ACS Applied Materials & Interfaces (2024). DOI: 10.1021/acsami.4c07592