Научная
деятельность
Университет ИТМО

Струйный принтер научили печатать пьезоструктуры и цветные голограммы на любых поверхностях

Магистранты Университета ИТМО Владислав Слабов и Кирилл Келлер рассказали, как используют метод струйной печати в своих новых исследованиях. Работы молодых ученых позволяют напрямую печатать цветные голограммы на любой поверхности, а также создавать качественные пьезоэлектрические структуры из органических материалов. Результаты исследований опубликованы в журналах Advanced Functional Materials и Applied Materials & Interfaces.

Технология струйной печати с использованием наночастиц или органических материалов появилась относительно недавно и сейчас активно развивается. Среди ее потенциальных применений микроэлектроника и защищенная полиграфия, то есть создание голограмм, например, для защиты купюр от подделки.

«Сейчас для этого используются в основном непрямые методы. Например, на металле вытравливается рельеф, который затем под прессом переносится на бумагу. Но эта технология сложна и не подходит для любой поверхности. Мы нашли способ прямой печати голограмм, что гораздо проще», ‒ комментирует Кирилл Келлер, сотрудник лаборатории SCAMT.

С помощью прямой печати можно наносить голограммы на бумагу, пластик или стекло. Это возможно за счет специально разработанных чернил и контролируемого механизма печати. Чернила содержат сферы субмикронного размера, которые при высыхании во время печати образуют плотно упакованные решетки. Проходя через них, свет преломляется и в зависимости от угла падения отражаются разные длины волн. При этом упорядоченность решетки определяет качество получаемой голограммы и ее видимость при дневном свете.

Голограммы, полученные с помощью чернил, которые разработал Кирилл Келлер
Голограммы, полученные с помощью чернил, которые разработал Кирилл Келлер

«Мы впервые применили математический подход для оценки упорядоченности таких структур прямо в процессе печати. За счет этого можно оценивать, например, влияние природы и температуры субстрата или состава чернил на упорядоченность структуры. Мы контролируем процесс, начиная с создания чернил: оптимизируем вязкость, поверхностное натяжение, плотность и температуру кипения. А дальше придумываем паттерн, заправляем картридж и начинаем печать. Чернила со сферами капля за каплей наносятся на субстрат, растворитель испаряется, а мы отслеживаем, как формируется решетка из сфер», ‒ продолжает Кирилл.

Чтобы получать полноцветные изображения с голографическим эффектом, химики разработали три состава чернил. Они различаются размером сфер, что, в свою очередь, влияет на длину отраженной волны. Сферы подобраны так, чтобы практически под прямым углом давать красный, зеленый и синий цвета. Комбинируя эти три состава, можно создавать полноцветное изображение с голографическим эффектом. А за счет контроля параметров печати можно наносить уникальные голографические паттерны прямо на бумагу, например, на банкноты и документы. Это обеспечит дополнительную степень защиты, видимую даже при дневном свете.

Еще одним направлением работы со струйной печатью занимается Владислав Слабов. В рамках этой работы Университет ИТМО совместно с Университетом Авейро в Португалии разрабатывает пьезоэлектрические материалы на органической основе. Пьезоэлектрические материалы способны трансформировать электрический сигнал в механические колебания и наоборот. Они часто используются в различных автоматизированных системах или датчиках. При этом наиболее перспективны органические пьезоматериалы, например, на основе пептида дифенилаланина. Его кристаллы обладают хорошим электромеханическим откликом, но их сложно выращивать. В Университете ИТМО для этого решили применить струйную печать.

Схема метода печати кристаллов дифенилаланина, предложенная в работе Владислава Слабова
Схема метода печати кристаллов дифенилаланина, предложенная в работе Владислава Слабова

«Главная сложность в том, что для сильного отклика нужно расположить кристаллы дифенилаланина строго параллельно, ‒ рассказывает Владислав. ‒ Мы разработали оптимальный состав чернил и оптимизировали условия печати. Обычно, когда капля чернил высыхает, дифенилаланин кристаллизуется по направлению сушки: от края к центру капли. Чтобы кристаллы росли параллельно, мы выбрали паттерн из простых линий. В итоге, когда мы отправили полученную структуру для анализа в Университет Авейро, оказалось, что отклик действительно усилился. Наш метод доказал эффективность».

Ученые не только разработали чернила, оптимальные для печати органического материала, но также получили контроль над направлением роста кристаллов. Это позволяет адаптировать метод под различные подложки или субстраты. Такие напечатанные структуры имеют перспективы применения в различных сенсорных устройствах.

«Пока эта работа имеет больше фундаментальный характер, чем прикладной. Но мы надеемся, что такие работы помогут приблизить нас к внедрению таких материалов в различные девайсы», ‒ отмечает Владислав.

Сейчас магистранты отправляются на стажировку в Университет Авейро в Португалии. Там они будут изучать оптические свойства новых материалов, технологии промышленного производства голографий, а также разрабатывать девайсы на основе кристаллов дифенилаланина.

Исследование проводится при поддержке Российского научного фонда

Статьи: Inkjet Printing of Multi-Color Daylight Visible Opal Holography Kirill Keller et al. Advanced Functional Materials, Apr. 10, 2018.

Diphenylalanine-Based Microribbons for Piezoelectric Applications via Inkjet Printing Sofia Safaryan, Vladislav Slabov et al. Applied Materials and Interfaces, Mar, 2, 2018.