Các nhà nghiên cứu trên thế giới nỗ lực chế tạo bản mạch điện bằng những quy trình in robotic 3D (đúc robotic). Nhưng thiết bị điện tử in sử dụng một lần có những khó khăn lớn: Kim loại sử dụng trong mực in rất đắt, phương pháp xử lý thân thiện môi trường có chi phí cao, gia tăng rác thải điện tử.

Gustav Nyström, chủ nhiệm Phòng thí nghiệm Vật liệu gỗ & Xenlulo của EMPA, Thụy sĩ cho biết, nhóm nghiên cứu của ông đặt mục tiêu phát triển mực in thân thiện môi trường, không chứa kim loại, không độc hại, có thể phân hủy sinh học, dễ dàng in đùn và ổn định với độ ẩm và nhiệt độ vừa phải.

Theo một báo cáo, đăng trên Tạp chí Scientific Reports, nhóm nghiên cứu của Nyström lựa chọn carbon rẻ tiền làm vật liệu dẫn điện. Các nhà khoa học đã phát triển một hỗn hợp các tiểu cầu than chì kéo dài trộn với những hạt bồ hóng (muội than) nhỏ tạo ra sự tiếp xúc điện giữa các tiểu cầu này, trộn trong một ma trận từ vật liệu sinh học shellac (sơn cánh kiến), thu được từ chất bài tiết của côn trùng có vảy. 

Ưu điểm của vật liệu này là đáp ứng chính xác với yêu cầu vệt mực in mong muốn của các nhà nghiên cứu, dễ dàng hòa tan trong cồn và bay hơi sau khi mực đã khô đi.

Nhưng mực in, được sử dụng trong in lụa đơn giản hay bằng các máy in 3D hiện đại phải thể hiện tính chất kết dính khi dàn mỏng để không trở thành quá lỏng khi in 3D, các hạt rắn có thể gây tắc nghẽn vòi phun nhỏ của máy in.

Để đạt được yêu cầu kỹ thuật này, các nhà khoa học nghiên cứu kỹ lưỡng thành phần và công thức của mực in. Nhóm nghiên cứu kiểm tra hai kích thước của tiểu cầu than chì có độ dài 40 micromet và 7 đến 10 micromet, nghiên cứu kỹ lưỡng tỷ lệ trộn than chì và muội than (hạt bồ hóng) do quá nhiều muội than khiến vật liệu giòn, nứt vỡ khi khô. Tối ưu hóa công thức và tỷ lệ của các thành phần, nhóm nghiên cứu phát triển một số phiên bản của mực, có thể được sử dụng trong những quy trình in đùn 2D và 3D khác nhau.

Kết quả thử nghiệm cho thấy, mực in có độ dẫn điện cao, đồng thời hình thành một mạng lưới giống như gel của carbon, graphite và shellac."

Nhóm nhà khoa học đã thử nghiệm vật liệu này trong thực tế bằng cách sử dụng máy in 3D in lần lượt 15 lưới bằng các sợi mảnh có đường kính chỉ 0,4 mm xếp chồng lên nhau. Kết quả bóc tách cho thấy, mực đáp ứng được các yêu cầu của quy trình in đùn robotic.

 Vật liệu mới cho mực in mạch điện tử, hai hình khối thử nghiệm rộng một cm in từ máy in 3D với sợi mực 0,4mm và các cảm biến điện tử được in. Ảnh: EMPA

Để chứng minh sự phù hợp của vật liệu với các thành phần điện tử thực tế, nhóm nghiên cứu đã chế tạo, cùng với các chi tiết khác một bộ cảm biến biến dạng: một dải nhựa polymer nhiệt dẻo (PET) mỏng với cấu trúc mực in lên trên, có điện trở thay đổi chính xác với những mức độ uốn cong khác nhau. 

Nhóm nhà khoa học cũng tiến hành các thử nghiệm về độ bền kéo, độ ổn định dưới nước và các đặc tính khác, cho kết quả đầy hứa hẹn. Theo Gustav Nyström, hệ thống mực này có thể được sử dụng cho những ứng dụng trong thiết bị điện tử in bền vững như các rãnh dẫn điện và các phần tử cảm biến trong bao bì thông minh, các thiết bị y sinh hoặc trong lĩnh vực thực phẩm và cảm biến môi trường.