Phương pháp in 3D biến polyme phân hủy sinh học thành linh kiện điện tử dẫn điện
bởi Đại học Công nghệ và Thiết kế Singapore
Nguồn: ACS Applied Engineering Materials (2025). DOI: 10.1021/acsaenm.4c00685
Từ màn hình điện thoại thông minh cảm ứng đến thiết bị đeo theo dõi sức khỏe và tai nghe không dây, các thiết bị điện tử đang ngày càng được tích hợp sâu rộng vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta—và ngày càng nhỏ hơn, nhẹ hơn và linh hoạt hơn. Nhưng khi nhu cầu về thiết bị điện tử tăng lên, nhu cầu về các phương pháp sản xuất bền vững hơn cũng tăng theo.
Đó là vấn đề mà nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư Michinao Hashimoto từ Đại học Công nghệ và Thiết kế Singapore (SUTD) dẫn đầu đã đặt ra để giải quyết. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp in 3D mới, biến vật liệu phân hủy sinh học thành các cấu trúc dẫn điện, có thể bổ sung yếu tố bền vững mạnh mẽ vào nhiều linh kiện điện tử khác nhau.
"Khi công nghệ in 3D phát triển, công nghệ này không chỉ đơn thuần là tạo hình nhựa nữa", Phó Giáo sư Hashimoto cho biết. "Vấn đề còn nằm ở việc kết hợp các tính năng, chẳng hạn như độ dẫn điện, để tạo ra các thiết bị trực tiếp từ vật liệu bền vững."
Trong bài báo "In đùn vật liệu composite polyme dẫn điện bằng phương pháp kết tủa ngâm", nhóm nghiên cứu đã khám phá việc sử dụng cellulose acetate, một loại nhựa có nguồn gốc thực vật, có khả năng phân hủy sinh học và ngày càng được coi là một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn so với polyme tổng hợp. Tuy nhiên, việc in bằng cellulose acetate không hề đơn giản. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí ACS Applied Engineering Materials.
Các phương pháp in đùn thông thường, chẳng hạn như mô hình lắng đọng nóng chảy, phụ thuộc vào nhiệt độ cao - điều mà cellulose acetate không thể chịu được nếu không bị phân hủy. Các phương pháp khác như đúc màng thiếu độ chính xác và tính linh hoạt cần thiết cho chế tạo kỹ thuật số.
Để khắc phục điều này, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang phương pháp viết mực trực tiếp, tức là đùn mực polyme ở nhiệt độ phòng. Mực in tùy chỉnh của họ kết hợp cellulose acetate hòa tan trong acetone với các vi hạt graphite để đạt được độ dẫn điện. Tuy nhiên, mực in lan truyền quá dễ dàng trong không khí, dẫn đến độ nét in kém do acetone bay hơi chậm.
Bước đột phá đến khi các nhà nghiên cứu đưa mực vào môi trường nước bao quanh. Bằng cách đùn mực trực tiếp vào nước, họ đã khởi động một quá trình gọi là kết tủa ngâm, trong đó nước nhanh chóng chiết xuất axeton khỏi mực, từ đó làm đông cứng mực tại chỗ. Điều quan trọng là quá trình này ngăn không cho vật liệu lan rộng, cho phép hình thành các cấu trúc 3D sắc nét, rõ ràng.
"Đây là lần đầu tiên kết tủa ngâm và in 3D được kết hợp để tạo ra vật liệu composite polymer dẫn điện", Phó Giáo sư Hashimoto giải thích. "Nó cho phép chúng tôi in mực với hàm lượng chất độn cao hơn nhiều so với thông thường, mà không bị tắc nghẽn hoặc sụp đổ cấu trúc."
Hầu hết các phương pháp in đều gặp khó khăn khi xử lý chất độn dẫn điện có trọng lượng trên 30–50%. Ngoài ra, tình trạng tắc nghẽn đầu phun hoặc mất kiểm soát hình dạng sẽ trở thành một vấn đề. Nhưng với kỹ thuật dựa trên ngâm của họ, các nhà nghiên cứu đã có thể kết hợp nồng độ than chì lên đến 60% mà vẫn duy trì khả năng in và độ đồng đều tốt. Vật liệu composite in đạt độ dẫn điện trên 30 S/m, đủ để hỗ trợ các ứng dụng như mạch điện linh hoạt và cảm biến mềm.
Họ cũng đã chứng minh cách sử dụng các vật liệu composite in này để hoàn thiện mạch điện, cung cấp năng lượng thành công cho điốt phát quang (LED). Để chứng minh thêm tính linh hoạt của phương pháp, họ đã in các cấu trúc xoắn ốc nhô ra vào môi trường hỗ trợ dạng gel, nhờ đó đạt được hình dạng phức tạp mà không cần đến khung đỡ truyền thống hay xử lý hậu kỳ.
"Khả năng in các cấu trúc nhô ra mà không cần hỗ trợ, chỉ sử dụng bể gel, thực sự mở rộng khả năng của chúng tôi", Tiến sĩ Arunraj S/O Chidambaram, tác giả chính của bài báo, cho biết. "Đây là một cách tiếp cận tinh tế và hiệu quả hơn so với việc in các cấu trúc hy sinh rồi tháo dỡ sau đó."
Tính bền vững môi trường là động lực chính thúc đẩy dự án. Cellulose acetate và graphite đều có thể phân hủy sinh học và được sử dụng rộng rãi. Acetone, dung môi được sử dụng trong mực in, có độc tính thấp và dễ phân hủy trong đất và nước. Việc kết hợp các vật liệu này cho phép nhóm nghiên cứu đưa ra một hướng đi khả thi hướng tới sản xuất thiết bị điện tử với tác động môi trường nhỏ hơn.
Nhóm nghiên cứu dự định áp dụng phương pháp này cho các kết hợp polymer-chất độn khác và thử nghiệm hiệu suất của vật liệu in trong điều kiện thực tế theo thời gian. Mục tiêu bao trùm là tạo ra một nền tảng có khả năng mở rộng, chi phí thấp để sản xuất các thiết bị bền vững và hiệu suất cao.
Phó Giáo sư Hashimoto cho biết thêm: "Bằng cách điều chỉnh các đặc tính vật liệu và tinh chỉnh quy trình, chúng tôi đặt mục tiêu xây dựng một thư viện đầy đủ các vật liệu composite chức năng có thể in được, được thiết kế riêng cho các ứng dụng cụ thể—cho dù đó là công nghệ đeo, cảm biến sinh học hay mạch linh hoạt."
Thông tin thêm: Arunraj Chidambaram và cộng sự, Extrusion Printing
Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite polyme dẫn điện bằng phương pháp kết tủa ngâm, ACS Applied Engineering Materials (2025). DOI: 10.1021/acsaenm.4c00685
Được cung cấp bởi Đại học Công nghệ và Thiết kế Singapore
