Что, если следующее поколение одноразовой электроники — датчики в упаковке для продуктов, диагностические полоски в медицинских клиниках, датчики окружающей среды, установленные на фермах, — будет изготавливаться не из кремния или пластика, а из бумаги, которую можно купить в продуктовом магазине?
Эта идея стала значительно ближе к реальности. Исследовательская группа из Лаборатории биоэлектроники и микросистем Бингемтонского университета разработала новую технологию производства, в которой используется стандартный углекислотный лазер для нанесения электронных схем непосредственно на обычную пергаментную бумагу — ту самую бумагу для выпечки с силиконовым покрытием, которая есть на кухнях по всему миру.
Работа принята к публикации в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Метод обманчиво прост. Пергаментная бумага обладает водоотталкивающими свойствами благодаря тонкому силиконовому покрытию на поверхности. С помощью лазера команда исследователей выборочно удаляет это покрытие в определенных местах, обнажая впитывающие воду целлюлозные волокна под ним. Эти каналы, созданные с помощью лазера, действуют как микроскопические магистрали, по которым проводящие чернила на водной основе направляются именно туда, куда нужно, формируя резисторы, конденсаторы, межсоединения и даже целые аналоговые фильтры — и все это на одном листе бумаги.
«По сути, лазер придает смачиваемость несмачиваемой поверхности, — говорит Чой, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники в Колледже инженерии и прикладных наук имени Томаса Дж. Уотсона. — В тех местах, где бумага соприкасается с лазером, она становится восприимчивой к нашим функциональным краскам. В остальных местах силиконовое покрытие действует как естественный изолятор».
Новая работа — результат более чем десятилетних исследований в лаборатории Чоя, посвященных тому, что он называет «папертроникой» — развивающейся области электроники на основе бумаги. С момента прихода в Бингемтонский университет Чой был одним из первопроходцев в этой области, задаваясь главным вопросом: может ли бумага заменить кремний и пластик в одноразовых электронных устройствах?
Все началось с биобатареек. В 2015 году команда Чхве создала свою первую батарею на основе бумаги — складное устройство, которое выглядело как спичечный коробок и вырабатывало электричество с помощью бактерий.
«В долгосрочной перспективе я всегда стремился создать на бумаге полноценную одноразовую электронную систему с автономным питанием, — сказал Чой. — Мы начали с источника питания — биобатареи. Затем перешли к датчикам. Не хватало только самой схемы: резисторов, конденсаторов и соединительных элементов, которые все это связывают».
Недостающий элемент появился в 2024 году, когда команда Чхве продемонстрировала первую полностью интегрированную бумажную печатную плату с настраиваемыми резисторами, конденсаторами и транзисторами на одном листе хроматографической бумаги с восковыми узорами, которые направляли нанесение чернил. Работа, опубликованная в журнале Advanced Sustainable Systems, доказала жизнеспособность этой концепции, но выявила серьезное ограничение: восковые барьеры, используемые для обозначения элементов схемы, расплывались и растекались при нагревании, из-за чего минимальный размер элементов схемы составлял около миллиметра. Из-за этого схемы получались большими — размером в десятки сантиметров — и не позволяли создавать компактные, плотно упакованные конструкции, необходимые для практического применения.
Новый подход с использованием лазера разрушает этот барьер. Начав с гидрофобной пергаментной бумаги, а не с гидрофильной хроматографической бумаги, и используя лазер для выборочного создания гидрофильных каналов, а не воск для создания гидрофобных барьеров, команда перевернула с ног на голову всю парадигму производства. Результат: ширина элементов схемы составляет всего 250 микрометров, а расстояние между ними — 300 микрометров, что в два-три раза лучше, чем у лучших методов с использованием воска. При этом размеры схемы позволяют уместить ее целиком на площади в несколько миллиметров, а не сантиметров.
«Мы не просто улучшили разрешение — мы изменили физический принцип его определения, — сказал Чой. — При работе с воском вы боретесь с тем, что расплавленный воск растекается по бумаге. При использовании нашего лазерного подхода рисунок определяется размером лазерного пятна и остается точно там, куда вы его нанесли. Никакого растекания, никакого размытия, никакой неопределенности».
Команда продемонстрировала универсальность платформы, изготовив на бумаге полный набор электронных компонентов: резисторы, сопротивление которых можно изменять на три порядка, просто регулируя состав чернил; межсоединения с сопротивлением листа всего около одного ома на квадратный сантиметр, что сравнимо с жесткими электронными системами; конденсаторы, емкость которых можно изменять от микрофарад до миллифарад; а также полностью функциональные RC-фильтры нижних и верхних частот, частотная характеристика которых практически полностью соответствует теоретическим расчетам.
Важно отметить, что все функциональные чернила, использованные в работе, изготовлены на водной основе и не содержат токсичных металлов или органических растворителей. Печатные платы биоразлагаемы — они разлагаются в почве в течение нескольких недель — и при необходимости быстрой утилизации их можно сжечь дотла за считаные секунды. Для устройств, которые должны служить дольше, предусмотрен тонкий силиконовый защитный слой, который предохраняет устройства от влажности и механических повреждений, не влияя на их электрические характеристики.