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Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 17931 (2022) Citare questo articolo

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L’opportunità di creare diversi modelli di nanoparticelle magnetiche sulle superfici è altamente auspicabile in molte applicazioni tecnologiche e biomediche. In questo articolo, questa capacità è dimostrata per la prima volta utilizzando una tecnologia di stampa a getto di aerosol controllata da computer (AJP). AJP è un processo di stampa emergente guidato digitalmente, senza contatto e senza maschera, che presenta vantaggi distintivi rispetto ad altre tecnologie di modellazione in quanto offre deposizione a scrittura diretta versatile e ad alta risoluzione di un'ampia gamma di materiali su una varietà di substrati. Questa ricerca dimostra la capacità di AJP di stampare in modo affidabile modelli di grandi dimensioni e con caratteristiche fini di nanoparticelle di ossido di ferro superparamagnetiche (SPION) sia su materiale rigido (vetro) che su materiali morbidi e flessibili (film di polidimetilsilossano (PDMS) e poli-L-lattico nanofilm acidi (PLLA). L'indagine ha identificato e controllato le variabili di processo influenti che hanno consentito di realizzare dimensioni delle caratteristiche nella regione di 20 μm. Questo metodo potrebbe essere impiegato per un'ampia gamma di applicazioni che richiedono un processo flessibile e reattivo che consenta un'elevata resa e una rapida modellazione del materiale magnetico su ampie aree. Come prima prova di concetto, presentiamo nanofilm magnetici modellati con manipolabilità migliorata sotto il controllo del gradiente del campo magnetico esterno e che sono in grado di eseguire movimenti complessi come rotazione e flessione, con applicabilità alla robotica morbida e alle applicazioni di ingegneria biomedica.

Le nanoparticelle magnetiche di ossido di ferro stanno guadagnando grande attenzione a causa della loro ampia varietà di potenziali applicazioni in diversi campi come la biomedicina, la catalisi, l'energia e il monitoraggio ambientale1,2,3,4,5,6,7. In questo quadro, la disposizione spaziale delle nanoparticelle magnetiche in schemi ben definiti su un substrato è spesso necessaria per ottenere le specifiche funzioni desiderate. Ciò è evidenziato in diverse applicazioni, ma lo sviluppo di un metodo di produzione efficiente ed efficace per la modellazione controllata di nanoparticelle magnetiche sulle superfici rimane una sfida significativa8,9,10,11,12,13. Le combinazioni di tecniche litografiche e di autoassemblaggio convettivo possono essere utilizzate per affrontare alcuni dei problemi; Finora sono stati utilizzati diversi processi di produzione basati su modelli, tra cui la litografia fotografica e a fascio elettronico8, la litografia morbida9,10 e la nanolitografia a immersione11 per generare modelli di strutture magnetiche con dimensioni comprese tra 100 nm e scala micrometrica. Tuttavia, ci sono alcune limitazioni intrinseche associate a questi metodi, tra cui la necessità di più fasi di elaborazione e strumentazione complessa che li rendono lenti e costosi, e la loro natura basata su modelli che rende irrealizzabile la personalizzazione di massa e la produzione iterativa, ad alto rendimento e flessibile. In alternativa, le tecniche di scrittura diretta, come la stampa a getto d’inchiostro12 e la scrittura diretta laser13, sono attraenti per le loro caratteristiche di maggiore semplicità, flessibilità di progettazione, prototipazione rapida e risparmio di materiale. Tuttavia, nel loro formato convenzionale, offrono una risoluzione di stampa limitata con una dimensione minima compresa tra 50 e 100 µm12.

Questa ricerca propone l'uso dell'Aerosol Jet Printing (AJP) come processo di produzione abilitante che potrebbe introdurre nuove possibilità di produrre modelli magnetici su scala micron su diversi substrati. AJP è una tecnologia emergente di scrittura diretta senza contatto che è stata esplorata in un'ampia gamma di applicazioni per la produzione digitale di componenti elettronici, attuatori, sensori e superfici strutturate per l'ingegneria dei tessuti13,14,15,16,17. Il principio di funzionamento di AJP è l'uso di un aerosol focalizzato per la stampa ad alta risoluzione (fino a 10 μm) di una varietà di materiali con offset ugello-substrato di 1–5 mm, consentendo la modellazione su strutture esistenti, diverse texture superficiali , attraverso superfici curve e nei canali18,19,20. A seconda della viscosità dell'inchiostro e delle prestazioni di stampa richieste per l'applicazione, è possibile utilizzare l'atomizzazione ad ultrasuoni o pneumatica, consentendo la stampa di materiali liquidi con un ampio intervallo di viscosità (1–1000 cP). Esempi di materiali utilizzati finora includono polimeri, nanoparticelle metalliche, ceramiche e proteine21,22,23,24,25,26,27. Nel campo dei materiali magnetici, Craton et al. recentemente riportato l'uso di AJP per la deposizione di nanoparticelle di ferrite di nichel-zinco/nanocompositi di poliimmide per applicazioni di imballaggio a microonde28.