Технологии наночернил и печати могут обеспечить ремонт и производство электроники в космосе

Инженер Университета штата Айова парит в воздухе, в то время как другие исследователи крепко висят на металлическом каркасе, который окружает и поддерживает их специализированный принтер. Это не обычная фотография, которую вы видите в исследовательской статье. Испытания на борту самолетов в условиях микрогравитации также не являются типичными экспериментами с материалами.

Траектория этих экспериментов началась, когда исследовательская группа под руководством Шань Цзяна из штата Айова, доцента кафедры материаловедения и инженерии, и Ханьтан Цинь, ранее работавшего в штате Айова, а сейчас являющегося доцентом кафедры промышленной и системной инженерии в Университете штата Айова, В Висконсине началось: Мэдисон задался вопросом, будут ли их технологии чернил и принтеров работать в условиях невесомости космоса.

Чернила содержат наночастицы серебра, синтезированные с использованием полимеров биологического происхождения. После термообработки чернила могут проводить электричество и, таким образом, печатать электрические схемы. Принтер использует электрогидродинамическую печать или 3D-печать, при которой чернила выбрасываются под действием электрического поля с разрешением в миллионные доли метра. Электрическое поле могло бы устранить необходимость применения гравитации для нанесения чернил.

Если технологии будут работать вместе в условиях микрогравитации, астронавты смогут использовать их для создания электрических цепей для ремонта космических кораблей или оборудования. А космонавты могли бы производить высококачественные электронные компоненты в особой космической невесомости.

НАСА задавалось вопросом, сработает ли это.

Погрузитесь в невесомость

Исследователи прикрепили принтер к нижней части самолета и «по сути подготовили его к поездке на американских горках», сказал Цзян.

Самолет НАСА непрерывно поднимался и опускался, циклически пролетая от высоты примерно 24 000 футов над Флоридой до высоты 32 000 футов, а затем обратно до 24 000 футов. Фаза погружения обеспечила около 10 секунд чистой невесомости.

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

Для некоторых морской болезнью была проблема. Другие наслаждались острыми ощущениями. Цзян почувствовал себя «замороженным», когда впервые испытал невесомость. «Я был пуст».

Но это длилось недолго. «В этот проект было вложено так много времени и инвестиций. Мы хотели добиться хороших результатов».

Но печать в течение всего лишь нескольких секунд во время полета в условиях микрогравитации — это «очень сложный эксперимент», сказал Цзян. «На земле так легко, где все стабильно. Но если во время полета что-то оторвется, выражение лица потеряется».

Хорошим примером был первый полет в условиях микрогравитации. Принтер не был должным образом защищен от ударов и вибраций самолета.

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

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

«Этот экспериментальный эксперимент в условиях микрогравитации демонстрирует уникальные возможности (электрогидродинамической) печати в условиях микрогравитации и открывает новую площадку для будущего производства по требованию в космосе», — пишут исследователи в статье, опубликованной в журнале Applied Materials & Interfaces.

Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.

Создать новый наночернила

Самым важным нововведением исследовательской группы Цзяна стала разработка нового лабораторного метода синтеза чернил с наночастицами серебра.

«Поскольку это новая комбинация материалов, нам нужен был новый рецепт изготовления чернил», — сказал Цзян.

Обе программы «стремятся поддержать инновационные и передовые исследования в Айове», — сказала Сара Нельсон, директор программ и доцент кафедры аэрокосмической техники в штате Айова. «Мы очень рады, доктор. поддержать исследование Цзяна. Его работа помогла создать исследовательскую инфраструктуру Айовы и является важной частью стратегической миссии НАСА».

В проекте также используется богатый ресурс Айовы — растительная биомасса.

Чернила содержат полимер биологического происхождения 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 в электрическом поле.

«В Айове много биомассы», — сказал Цзян. «Поэтому мы всегда стараемся использовать эти молекулы биологического происхождения. Они делают замечательный полимер, который делает за нас все дела».

Цзян назвал это «самым большим сюрпризом этого исследования». Мы не знали этого раньше. Теперь мы знаем, что мы можем сделать с этими полимерами биологического происхождения».

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

«На самом деле этот успех — только начало», — сказал Цзян. «По мере того, как человечество продвигается глубже в космос, необходимость производства электроники на орбите по требованию больше не является научной фантастикой, а является необходимостью».

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

Наконец, Цзян сказал: «Невозможно просто сделать компонент и собрать электронное устройство».

Информация от: Университетом штата Айова