У створенні мініатюрної батарейки брали участь дослідники з Гарвардського університету ( Harvard University ) І університету Іллінойсу ( University of Illinois ). Їм вдалося надрукувати на 3D-принтері дуже маленькі електроди, кожен з яких був товщиною менше людської волосини.
"Звичайно ж, ми були не першими, хто зміг надрукувати на 3D-принтері батарейку, але ми це зробили найретельнішим чином", - заявила провідний автор дослідження Дженніфер Льюїс ( Jennifer Lewis ), Професор Гарвардської школи інженерії та прикладних наук ( SEAS ) І науковий співробітник Інституту біотехнології Вісса ( Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ). Льюїс працювала над проектом у співпраці з Шеном Діллоном ( Shen Dillon ) В університеті Іллінойсу.
За останні кілька років в медицині з'явилася можливість імплантації мікроскопічних імплантатів , робототехніки створювали роботів розміром з комаха , З'явилися мініатюрні камери і мікрофони. Найчастіше батареї та акумулятори, що забезпечують диво-пристрої енергією, мають чи не більшими розмірами, ніж вони самі, що значно збільшує розміри самого апарату.
Щоб обійти цю проблему, розробники в основному використовували для створення електродів технологію нашарування тонких плівок твердого матеріалу. Але в силу надтонкощі конструкції, ці тверді мікробатареї не можуть постачати достатньою кількістю енергії електроніку майбутнього.
Вчені вирішили, що можна створити досить потужну батарейку, якщо сконструювати шари з міцно переплетених ультратонких електродів, побудованих поза площиною. Для цього вони використовували технологію 3D-друку. Принтер слідує інструкціям комп'ютерної програми, де була заздалегідь створена тривимірна модель майбутнього устрою, і "друкує" фізичний об'єкт шар за шаром з потрібних матеріалів. Сьогодні тривимірна друк використовується в дуже багатьох виробничих галузях, починаючи з медицини і закінчуючи зброєю і прототипами автомобілів .
Вчені підготували спеціальні матеріали, що володіють потрібними хімічними і електричними параметрами. Та й сам принтер був не стандартний, а виготовлений по спеціальному замовленню. Перш ніж приступити до безпосереднього виробництва Льюїс і її колеги протестували кілька видів "чорнила". На відміну від чорнила, використовуваних в звичайних офісних принтерах, які фактично капають на аркуш паперу, змочуючи його, чорнило для 3D-принтера повинні володіти двома вкрай важливими властивостями. По-перше, порція чорнила повинна виходити з сопла чіткими порціями, як зубна паста з тюбика, а по-друге, матеріал повинен негайно застигати, прийнявши необхідну форму.
Тому чорнило для тривимірної друку повинні функціонувати як матеріали, що володіють електрохімічної активністю. Щоб отримати справно працюють аноди і катоди , Який використовується матеріал повинен застигати миттєво в формі тонкого шару, до того ж його товщина не повинна перевищувати товщину кожного електрода, що використовується в конструюванні шарів з твердого матеріалу.
Дослідники вирішили використовувати чорнило з наночастинок одного літієво-оксидного з'єднання для створення анода і з іншого виду того ж з'єднання для катода. Чорнило, що виходять з сопла, містилися на зубчики двох золотих гребенів, і таким чином створювалася міцно пов'язана структура з анодів і катодів. Отриману конструкцію вчені помістили в мікроскопічну камеру, яку потім заповнили розчином електроліту і в підсумку отримали повноцінну батарейку.
На наступному етапі роботи необхідно було зрозуміти, скільки енергії зможе вмістити така міні-батарейка, якою кількістю енергії вона зможе постачати пристрій і як довго тримає заряд. "За електрохімічним властивостям, співвідношенню заряду і розряду, терміну експлуатації та енергоємності вона, в принципі, можна порівняти з батарейками, які люди купують на касі в супермаркеті. Тільки наш пристрій у багато разів менше", - повідомляє Діллон в прес-релізі .
"Робота Льюїс і Диллона не тільки в черговий раз показує дивовижні здібності 3D-друку, але і відкриває нові можливості для створення мікроскопічної електроніки, яка використовується як в медицині, так і в інших виробничих галузях. Я вважаю, що це справжній прорив", - говорить засновник і директор Інституту Вісса Дональд Інгбер ( Donald Ingber ).
Про свою роботу дослідники розповіли в статті, яка вийшла 18 червня 2013 року в журналі Advanced Materials.
Також по темі:
Немовля врятували від розриву бронхів за допомогою надрукованої на 3D-принтері трубки
На 3D-принтері надрукували ідеальне вухо
Фахівці MIT з'єднали живу тканину і електроніку
Інженери представили розтягується в три рази акумулятор
Створено кращі срібні чорнило для друку гнучкої електроніки
