Ученые из ИТМО нашли способ печати сложных материалов и голограмм на струнойм принтере

16 апреля 2018
Молодые ученые из магистратуры Университета ИТМО Владислав Слабов и Кирилл Келлер опубликовали результаты своих исследований в области струйной печати в журналах Advanced Functional Materials и Applied Materials & Interfaces.

Инновационная разработка магистрантов заключается в возможности производить печать цветных голограмм напрямую на любые поверхности. Благодаря полученному методу также получилось создать качественные пьезоэлектрические структуры из органических материалов.

Относительно новая технология струйной печати, использующая наночастицы и органические материалы, имеет большое значение для защиты микроэлектроники и полиграфии, например, госзнаков.

«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.

Прямая печать позволяет наносить голограммы на бумажные, пластиковые или стеклянные материалы. В составе специальных чернил содержатся сферы субмкронного размера, при высыхании которых образуются особо плотно упакованные решетки. Благодаря этим структурам, происходит преломление света и в зависимости от угла падения изменяются длины отражаемых волн. Чем упорядоченнее получается решетка, тем качественнее становится сама голограмма и её видимость при дневном освещении.

«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 Келлер.

Чтобы добиться получения полноцветных изображений с голографическим эффектом, химики разработали три состава чернил и систему их калибровки и комбинаций. Главным криетрием отличия является размер сфер, который оказывает влияние на длину отраженной волны. Сферы калибруются таким образом, чтобы в итоге под прямым углом давать красный, зеленый и синий цвета. Контроль параметров печати позволяет наносить уникальные голографические паттерны прямо на банкноты и документы. Разработанный метод обеспечивает дополнительный уровень защиты, видимый без дополнительных излучений.

Владислав Слабов также участвует в совместной работе  Университета ИТМО с Университетом Авейро в Португалии по созданию пьезоэлектрических материалов на органической основе. Инновационные материалы такого типа используются в автоматизированных системах и датчиках и способны преобразовывать электрический сигнал в механические колебания и обратно. Самыми перспективными считаются те органические пьезоматериалы, например, на основе пептида дифенилаланина. Кристаллы этого вещества обладают хорошим электромеханическим откликом. Но поскольку они трудны в выращивании, ученые решили использовать для этого струйную печать.

«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».

В лабораторных условиях были созданы чернила, оптимальные для печати органического материала; одновременно при работе над этой задачей ученые получили контроль над направлением роста кристаллов, что 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.

В настоящее время магистрантам предстоит стажировка в Университет Авейро в Португалии. Во время поездки Владислав Слабов и Кирилл Веллер собираются исследовать оптические свойства новых материалов, технологии промышленного производства голографий, а также разрабатывать девайсы на основе кристаллов дифенилаланина. 


По материалам ITMO.NEWS