MIT Bilgisayar Bilimi ve Yapay Zeka Laboratuvarı (CSAIL) araştırmacıları, American Chemical Society’nin Applied Materials and Interfaces Gazetesi‘nde yayınlanan (“3D-Printed Self-Folding Electronics”) makalede, baskı platformundan çıktıktan sonra kendini katlayan elektronikler’i tanıttı.
Araştırmacılar, herhangi bir dış uyaran olmadan kendinden katlanabilen aygıtların en büyük avantajlarından birinin, daha geniş bir malzeme yelpazesine ve daha hassas yapılara sahip olabilecekleri görüşünde.
Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri fakültesinde MIT lisansüstü öğrencisi olan Subramanian Sundaram: “Basılı elektroniklerin çoğu genellikle organik malzemelere dayanıyor. Bu malzemeler neme ve sıcaklığa karşı çok hassas.”
Bu fikri göstermek için araştırmacılar, elektrik kabloları ve voltaj uygulandığında şeffaftan opak hale dönüşen, polimer “piksel” içeren kendi kendini katlayan yazdırılabilir bir cihaz hazırladılar.
Sundaram ve meslektaşlarının bu yılın başlarında açıkladığı “basılabilir goldenbug” üzerinde bir varyasyon olan bu cihaz, “H” harfi gibi görünmeye başlıyor ancak H bacaklarından her biri iki farklı yönde masa şekli gibi kendisini katlıyor.
Araştırmacılar, aynı menteşe tasarımının birkaç farklı versiyonunu da inşa ettiler. Böylelikle bir mafsalın katlandığı kesin açıyı kontrol edebildiler. Testlerde, menteşeleri bir ağırlık üzerine sıkıştırarak zorla düzleştirdiler, ancak ağırlık indirildiğinde menteşeler orijinal kıvrımlarına geri döndü.
Kısa vadede, bu teknik; işlevselliği 3D şekillerine bağlı olan sensörlerin, ekranların veya antenlerin özel üretimini sağlayabilir. Araştırmacılar daha uzun vadede, yazdırılabilir robotların imkânlarını öngörüyorlar.
Araştırmacıların tasarımının anahtarı; katılaştıktan sonra genişleyen, alışılmadık yeni bir yazıcı mürekkebi malzemesidir. Çoğu yazıcı mürekkebi, malzemesi katılaştıkça hafif daralır; bu da tasarımcıların sıklıkla üzerinde çalışmaları gereken teknik bir sınırlamadır.
Baskılı cihazlar katmanlar halinde inşa edilir. MIT araştırmacıları prototiplerinde; genişleyen materyali üst veya altta bulunan birkaç katmandaki hassas lokasyonlarda depolar. Alt tabaka, yazıcı platformuna yapışır ve bu yapışma, katmanlar oluştuğunda cihazı düz tutmak için yeterlidir. Ancak, bitmiş cihaz platformdan soyulduğu anda, yeni materyalden yapılan eklemler genişler ve cihaz ters yönde bükülür.
Birçok teknolojik atılım gibi, CSAIL araştırmacılarının materyali keşfetmeleri de bir tesadüftü. Matusik’in Hesaplamalı Üretim Grubu tarafından kullanılan yazıcı malzemelerinin çoğu; tek moleküler bileşenlerin zincir benzeri tekrarı veya monomerlerden oluşan uzun moleküller olan polimer kombinasyonlarıdır. Bu bileşenlerin karıştırılması, belirli fiziksel özelliklere sahip yazıcı mürekkepleri oluşturmak için kullanılan bir yöntemdir.
CSAIL araştırmacıları, daha esnek baskılı bileşen veren bir mürekkep geliştirmeye çalışırken; sertleştikten sonra hafifçe genişleyen mürekkebin üstüne istemeden çarptı. Böylece anında genişleyen polimerlerin potansiyel faydasını anladılar ve karışımın modifikasyonuyla denemeye başladılar. Biçimlendirilmiş bir cihazın yarısı kadar katlanacak, genişleyen derzlerin oluşturulmasına izin veren bir tarif ortaya çıktı.
En güçlü genleşmeyi sağlayan mürekkep, isooctyl acrylate’den (izooktil akrilat) oluşan birkaç uzun moleküler zincir ve birçok daha kısa zincir içerir. Mürekkep tabakası mor ötesi ışığa maruz kaldıklarında ya da sıvılar olarak biriktirilen malzemelerin sertleştirilmesi için yaygın olarak kullanılan 3D baskı yöntemiyle şekillendirildiğinde, uzun zincirler birbirine bağlanarak karışık kıvrılmış moleküller üretir.
Malzemenin bir başka katmanı; ilk olarak üstüne çöktüğünde, üstteki (isooctyl acrylate) izooktil akrilatın küçük zincirleri, sıvı katmandan daha aşağı, daha sert katmana batar. Orada, daha uzun zincirlerle etkileşim kurarak baskı platformuna yapışmaya geçici olarak direnecek geniş bir kuvvet uygular.
Kuzey Carolina Devlet Üniversitesi Kimya Mühendisliği Profesörü Michael Dickey: “Bu çalışma heyecan vericidir. Çünkü 3D nesneler, üzerinde işlevsel elektronikler yaratmanın bir yolunu sunuyor. Tipik olarak elektronik işleme; düzlemsel, 2D bir biçimde yapılır. Bu nedenle düz bir yüzeye ihtiyaç duyar. Burada yapılan çalışmanın amacı; elektronik işlevini koruyarak, 2D yüzey üzerinde daha geleneksel düzlemsel teknik kullanıp, elektronik üretmek ve daha sonra bunları 3D bir şekle dönüştürmektir.”
