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Weiche Elektronik: Druck in 4-D

3-D-Druck war gestern. Neuartige Materialien erlauben das Drucken dreidimensionaler Objekte, die anschließend in der vierten Dimension, der Zeit, von selbst ihre Form verändern.
Self-folding printable structures

Veröffentlicht am: 13.09.2017

Laufzeit: 0:02:09

Sprache: englisch

Untertitel: englisch

Das Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist eine renommierte, private Forschungsuniversität in Cambridge, im US-Bundesstaat Massachusetts.

Herkömmliche Elektronik in Form harter Siliziumchips, die auf starren Leiterplatten angebracht sind, erweist uns beispielsweise in Computern unverzichtbare Dienste. Während die Weiterentwicklung von Siliziumelektronik jedoch auf Grund physikalischer Grenzen bei der Miniaturisierung langsam, aber sicher an ihre natürlichen Grenzen stößt, befindet sich die so genannte »weiche Elektronik«, die vor allem auf organischen Halbleitermaterialien und flexiblen Polymersubstraten basiert, auf dem Vormarsch. Auch wenn sie bei der reinen Rechenleistung noch lange nicht wird mithalten können, eröffnet sie vor allem direkt an der Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine spannende neue Möglichkeiten. So kann sie nicht nur in Kleidung integriert oder direkt auf der Haut getragen werden. In Zukunft könnten weiche, elektronische Geräte ihren Dienst auch als Implantate im Inneren unseres Körpers verrichten.

Das in dem YouTube-Video des Massachusetts Institute of Technology (MIT) vorgestellte, flexible elektronische Bauteil hat darüber hinaus noch ein ganz spezielles Feature zu bieten: Es verändert nach seiner dreidimensionalen Herstellung durch einen 3-D-Drucker selbstständig seine Form innerhalb der vierten Dimension, der Zeit. Somit stellt es einen 4-D-Druck dar! Die Technik wird wohl auf sehr spezielle Anwendungen beschränkt bleiben. Im Bereich der weichen Elektronik könnte sie aber durchaus ihre Einsatzmöglichkeiten finden. Dort werden elektronische Schaltkreise aus organischen Halbleitermaterialien oft auf weiche Substrate gedruckt. Dabei soll das Substrat idealerweise völlig flach sein, damit das flüssige Material, die »Tinte«, nicht verläuft.

Um dennoch dreidimensionale Formen zu realisieren, werden die bedruckten Substrate im Nachhinein mit Hilfe äußerer Einflüsse verformt: etwa indem man sie erhitzt oder mit Wasser und Lösungsmitteln behandelt. Diese Prozesse können aber den empfindlichen Halbleitermaterialien schaden.

Die Methode des MIT kommt dagegen völlig ohne nachträgliche Behandlung aus: Die weichen Objekte werden mitsamt ihren elektronischen Strukturen zunächst völlig flach und in mehreren Schichten ausgedruckt. Zu Demonstrationszwecken haben die Forscher einen einfachen Schaltkreis erzeugt. Er besteht aus zwei elektrischen Leiterbahnen und einem so genannten »elektronischen Pixel«, das beim Anlegen einer Spannung seine optischen Eigenschaften verändert und von transparent auf undurchsichtig wechselt.

Neben diesen elektronischen Komponenten haben die Wissenschaftler auch spezielle Mischungen aus langen und kurzen Polymerketten in das Objekt eingebaut, die noch während des Druckvorgangs mit UV-Licht ausgehärtet werden. Während des Aushärtens dehnen sie sich aus und erzeugen deshalb lokal mechanische Spannungen. Sie werden so in mehreren Schichten gedruckt, dass die kurzen Ketten einer neuen Schicht in das bereits teilweise ausgehärtete Polymernetzwerk der darunterliegenden Schicht diffundiert und dieses aufschwemmt.

Löst man das Objekt schließlich von der flachen Plattform los, auf der es gedruckt wurde, führen die induzierten mechanischen Spannungen zu gezielten, auf wenige Grad genauen Verformungen. Und auch wenn das im Video gezeigte Objekt keinen speziellen Zweck zu erfüllen scheint: Es lässt doch erahnen, wie mit der Methode in Zukunft neuartige, weiche Elektronik entstehen könnte.

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