Fokussierte Mikrowellen: Neue Technologie ermöglicht 3D-Druck von Schaltkreisen direkt auf nahezu alle Oberflächen
Wer Elektronik herstellt, kennt das Problem: Leitfähige Tinte auf einem Substrat aufzutragen ist die eine Sache – sie haltbar zu machen, eine ganz andere. Der entscheidende Schritt heißt Sintern, also das Verschmelzen winziger leitfähiger Nanopartikel unter Hitzeeinwirkung, damit sie Strom führen können. Bisher bedeutete das: hohe Temperaturen, die empfindliche Oberflächen zerstören. Einen Schaltkreis direkt auf lebendes Gewebe oder einen Knochen zu drucken war schlicht undenkbar. Forscher:innen der Rice University in Houston haben diesen Engpass nun mit einer überraschenden Lösung überwunden: fokussierten Mikrowellen.
Eine Lupe für Mikrowellen
Das Herzstück ihrer Entwicklung ist ein Gerät namens Meta-NFS, kurz für metamaterial-inspired near-field electromagnetic structure. Es funktioniert nach dem Prinzip einer Lupe: Statt sichtbares Licht bündelt es Mikrowellenenergie in einem Bereich von weniger als 200 Mikrometern was etwa der Breite eines menschlichen Haares entspricht. Nur die frisch aufgetragene Tinte wird dabei auf über 160 Grad Celsius erhitzt, während alles drumherum kalt bleibt.
Das Gerät kombiniert einen sogenannten Split-Ring-Resonator, eine kleine Schlaufe, die elektromagnetische Energie einfängt und verstärkt, mit einer verjüngten Spitze, die diese Energie auf einen winzigen Punkt konzentriert. Als Vermittler dient Graphen, das bis zu 50 Prozent der Mikrowellenenergie absorbiert. Zum Vergleich: Ein Infrarotlaser schafft hier gerade einmal 2,3 Prozent. Das Substrat darunter bleibt davon nahezu unberührt. Während ein herkömmlicher Mikrowellenapplikator nur etwa 8,5 Prozent seiner Leistung ins Zielmaterial überträgt, kommt der Meta-NFS auf beeindruckende 79,5 Prozent.
Schaltkreise auf lebendem Gewebe
Besonders praktisch: Durch die Anpassung der Mikrowellenleistung in Echtzeit lässt sich sogar die Kristallstruktur der gedruckten Nanopartikel gezielt steuern – und damit die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Materials. Der spezifische Widerstand einer Silbernanopartikel-Tinte kann dabei um mehr als drei Größenordnungen variiert werden, bis hin zur Leitfähigkeit von reinem Silber.
„Die Fähigkeit, gedruckte Materialien selektiv zu erhitzen, ermöglicht es uns, die funktionellen Eigenschaften der Tinte räumlich zu programmieren, selbst wenn sie von temperatursensiblen Materialien umgeben ist„, erklärt Yong Lin Kong, der die Forschung geleitet hat und Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Rice University ist. „Das erlaubt uns, formfreie Elektronik auf einer breiten Palette von Substraten zu integrieren – einschließlich Biopolymeren und lebendem biologischem Gewebe.“
Um das zu demonstrieren, druckten die Forschenden leitfähige Mikrostrukturen auf ein lebendes Pflanzenblatt, auf Plastik, Silikon, Papier und direkt auf einen Rinderknochen. Dort entstand ein drahtloser Dehnungssensor, der kleinste Verformungen erfassen und die Daten per Funk übertragen kann.
Smarte Implantate als nächstes Ziel
Die naheliegendste medizinische Anwendung sind intelligente Implantate. Das Team hat bereits drahtlose Sensoren auf dem Hochleistungskunststoff gedruckt, der in den meisten künstlichen Hüft- und Kniegelenken verwendet wird. Diese Sensoren könnten Verschleiß und mechanischen Stress in Echtzeit überwachen, ohne die Struktur des Implantats zu verändern oder einen weiteren chirurgischen Eingriff zu erfordern. Eine in Silikon eingekapselte Schaltung bestand dabei einen einfachen Wassertest: Während eine ungeschützte Variante nach etwa 2,5 Sekunden ihre Leitfähigkeit verlor, hielt die geschützte Version über fünf Minuten durch.
Die Gruppe arbeitet bereits an verschluckbaren Elektroniksystemen für die personalisierte Diagnostik sowie an bionischen Geräten, die direkt mit Organen interagieren sollen.
via Rice University
