Phương pháp vi chế tạo mới chỉ sử dụng giấy và nước

Vi chế tạo là quy trình tạo ra các cấu trúc vi mô, để sản xuất từ chip máy tính đến các thiết bị y tế.

Vi chế tạo thường là một quy trình tốn nhiều công sức, sử dụng các hóa chất khó xử lý một cách an toàn và gây hại cho môi trường. Tuy nhiên, các nhà khoa học tại Đại học Chicago, Mỹ đang làm thay đổi điều đó.

Trong bài đăng mới nhất của họ trên tạp chí Nature Sustainability, phòng thí nghiệm của Giáo sư Bozhi Tian đã phát triển một phương pháp vi chế tạo thân thiện với môi trường, sử dụng nước và các vật liệu tự nhiên, bao gồm cả giấy, để tạo và chuyển các mẫu.

Quy trình này lấy cảm hứng từ tự nhiên, giống như cách các con tắc kè bám và rời khỏi các bức tường.

Phương pháp vi chế tạo truyền thống tạo ra các mẫu siêu nhỏ bằng một quy trình gọi là quang khắc (photolithography). Quy trình này từ lâu đã dựa vào các hóa chất có hại để sản xuất các mạch tích hợp có trong hầu hết các thiết bị điện tử gia dụng và tiêu dùng.

Nhưng, cách tiếp cận mới của các nhà nghiên cứu lại sử dụng nước như một chất kích hoạt xanh thay vì các chất kích hoạt độc hại truyền thống.

Về cơ bản, phương pháp mới này là một biến thể của quy trình cũ được gọi là tổng hợp quang hóa có sự hỗ trợ của muối. Phiên bản mới này sử dụng laser để tạo các mẫu trên giấy, sau đó chuyển giao chúng bằng cách sử dụng nước.

“Chúng tôi phát hiện ra rằng nước có thể nhẹ nhàng tách các mẫu nhỏ khỏi vật liệu gốc của chúng một cách hiệu quả,” Tian cho biết.

Sử dụng kỹ thuật này, nhóm nghiên cứu đã cải thiện quy trình chuyển đổi cellulose trong giấy thành carbon dẫn điện. Sau đó, họ biến carbon này thành các cảm biến tiên tiến bằng cách điều chỉnh cẩn thận bề mặt của chúng và sử dụng các chất kích thích để tăng cường hiệu quả phản ứng trong các vật liệu ở mức độ vi mô.

Loại carbon quý giá này, được tạo ra thông qua quy trình viết bằng laser và nước, đã được chứng minh là có nhiều ứng dụng khác nhau, từ cảm biến tiên tiến đến các thiết bị y tế tinh vi.

Chuanwang Yang, một nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Tian và là tác giả chính của bài báo, bổ sung, “Sử dụng nước thay vì các dung môi độc hại là một bước tiến lớn.”

Để tăng cường hiệu quả của phương pháp, Yang đã phát triển một công cụ gọi là “Roll-to-roll Laser Writer.” Thiết bị này tự động hóa quá trình viết và chuyển giao mẫu bằng laser, giúp toàn bộ quy trình nhanh hơn và đáng tin cậy hơn.

“Phải mất khoảng sáu tháng để thiết kế và xây dựng cỗ máy này, nhưng nó đã cải thiện đáng kể tốc độ chế tạo của chúng tôi cho các ứng dụng quy mô lớn,” Yang cho biết.

Mặc dù thừa nhận phương pháp của họ có thể không thay thế được các kỹ thuật chính xác cần thiết để tạo ra các con chip máy tính phức tạp, các nhà nghiên cứu lạc quan về việc sử dụng nó cho các ứng dụng khác, chẳng hạn như các cảm biến giá rẻ, dùng một lần cho các thử nghiệm y tế hoặc các thiết bị đeo được.

“Chúng tôi thấy điều này đặc biệt hữu ích cho các thiết bị không cần độ chính xác cực cao như chip silicon, nhưng vẫn yêu cầu khả năng tốt,” Tian cho biết.

Pengju Li, một thành viên khác của dự án, chia sẻ thêm, “Thiết kế của chúng tôi nâng cao hiệu quả chế tạo của các thiết bị y tế siêu mỏng, bao gồm cả những thiết bị được sử dụng để kích thích và cảm biến tim và thần kinh.”

Bằng cách tận dụng tối đa sức mạnh của thiên nhiên và sử dụng các vật liệu đơn giản, thân thiện với môi trường, phương pháp sáng tạo của nhóm nghiên cứu đang làm thay đổi quy trình vi chế tạo. Từ đó đóng góp vào làn sóng công nghệ xanh đang ngày càng định hình tương lai của ngành công nghiệp khoa học-công nghệ.