3D-Druck von Metallen auf Gewebe für preiswerte Antennen, Sensoren und Wearables

Eine Gruppe von Forschern des Imperial College London hat eine Technik für den 3D-Druck von Metallen wie Silber, Gold und Platin auf natürlichen Stoffen entwickelt. Das Verfahren könnte auch verwendet werden, um Batterien, drahtlose Technologien und Sensoren in Papier- und Baumwolltextilien einzubauen. Diese Technologien könnten mehrere Anwendungen haben, darunter neue kostengünstige medizinische Diagnosewerkzeuge, drahtlos betriebene Aufklebersensoren zur Messung der Luftverschmutzung oder Kleidung, die die Gesundheit des Trägers überwachen kann.Es ist nicht das erste Mal, dass Metalle auf Stoffe gedruckt wurden, aber in der Vergangenheit wurde der Stoff mit Kunststoff überzogen, wodurch er wasserdicht, aber spröde wurde. Die Methode der Forscher, die sie in einem Artikel mit dem Titel “Autokatalytische Metallisierung von Geweben unter Verwendung von Si-Tinte für Biosensoren, Batterien und Energiegewinnung” beschreiben, ermöglicht, dass Metallfarben ganze Fasern bedecken, statt die Oberfläche des Gewebes zu beschichten.

“Stoffe sind allgegenwärtig und einige Formen wie Papier sind uralt”, sagte Max Grell, Doktorand in der Abteilung für Bioingenieurwesen. „Mit dieser neuen Methode zum Metallisieren von Geweben können neue Klassen fortgeschrittener Anwendungen erstellt werden.“

Die Forscher bedeckten die Fasern zunächst mit mikroskopisch kleinen Siliziumpartikeln und tauchten das Material anschließend in eine Lösung ein, die Metallionen enthielt. Der Prozess ist als Si-Tinten-aktivierte autokatalytische Metallisierung (SIAM) bekannt und ermöglicht es den Metallen, durch das Material zu wachsen, wenn sich die Ionen auf den Siliziumpartikeln abscheiden. Die Technik beschichtet Metall im gesamten Stoff, so dass Papier und Textilien Wasser absorbieren können und flexibel bleiben und gleichzeitig eine große metallische Oberfläche bieten. Viele fortschrittliche Technologien erfordern diese Eigenschaften, insbesondere Sensoren und Batterien, bei denen Ionen in Lösungen mit Elektronen in Metallen interagieren müssen.

Für eine Proof-of-Concept-Studie trieben die Forscher die Silicon-Tinte von Hand auf die Textilien, sagen aber auch, dass der Prozess von großen herkömmlichen 3D-Druckern skaliert und durchgeführt werden könnte.

Beispielsweise druckten die Forscher Silberspulenantennen auf Papier, die zur Daten- und Stromübertragung in drahtlosen Geräten wie kontaktlosen Bezahlsystemen verwendet werden können. Sie legten auch Silber auf Papier ab und fügten dann Zink hinzu, um eine Batterie zu bilden, und verwendeten die Technik, um eine Reihe von Sensoren herzustellen, einschließlich eines Sensors auf Papierbasis, um die genetischen Indikatoren der Johne-Krankheit zu erkennen. Diese Krankheit, die für Grasfresser tödlich ist ,  steht im Zusammenhang mit Morbus Crohn beim Menschen.

Die Forscher sagen, dass Sensoren, die aus natürlichen Stoffen hergestellt werden, billiger und leichter zu lagern und zu transportieren sind und in Kleidung verwendet werden könnten, die die Gesundheit überwacht.

„Wir haben Anwendungen aus verschiedenen Bereichen ausgewählt, um zu zeigen, wie vielseitig und möglich ist, diesen Ansatz zu ermöglichen“, sagte Grell. „Es war viel Zusammenarbeit erforderlich, und wir hoffen, dass wir das Potenzial dieser Methode demonstriert haben, sodass Personen, die sich auf verschiedene Bereiche spezialisiert haben, diese Anwendungen entwickeln können. Das Schöne an diesem Ansatz ist, dass er auch verschiedene Technologien kombinieren kann, um eine komplexere Anwendung zu bieten. Zum Beispiel können kostengünstige Sensoren auf Papier gedruckt werden, die dann die gesammelten Daten durch kontaktlose Technologie übertragen können. Dies könnte besonders in Entwicklungsländern hilfreich sein, in denen Diagnosetests am Ort der Behandlung, an entlegenen Orten und kostengünstig durchgeführt werden müssen. “

Die Forscher zeigten, dass die Herstellung einer Spulenantenne mit ihrem Ansatz nur 0,001 US-Dollar kostet, im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, die 0,05 US-Dollar kosten. Das Team hat ein Patent angemeldet und sucht nach Industriepartnern. Der nächste Schritt besteht darin, die Anwendung der neuen Methode in realen Anwendungen zu demonstrieren.