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Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17931 (2022) Citar este artigo

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A oportunidade de criar diferentes padrões de nanopartículas magnéticas em superfícies é altamente desejável em muitas aplicações tecnológicas e biomédicas. Neste artigo, essa capacidade é demonstrada pela primeira vez usando uma tecnologia de impressão a jato de aerossol (AJP) controlada por computador. O AJP é um processo de impressão digital emergente, sem contato e sem máscara, que tem vantagens distintivas sobre outras tecnologias de padronização, pois oferece deposição de gravação direta versátil e de alta resolução de uma ampla gama de materiais em uma variedade de substratos. Esta pesquisa demonstra a capacidade da AJP de imprimir de forma confiável padrões de grande área e características finas de nanopartículas superparamagnéticas de óxido de ferro (SPIONs) em materiais rígidos (vidro) e materiais macios e flexíveis (filmes de polidimetilsiloxano (PDMS) e poli-L-láctico ácido (PLLA) nanofilmes). A investigação identificou e controlou variáveis ​​de processo influentes que permitiram a realização de tamanhos de características na região de 20 μm. Este método pode ser empregado para uma ampla gama de aplicações que requerem um processo flexível e responsivo que permite alto rendimento e padronização rápida de material magnético em grandes áreas. Como primeira prova de conceito, apresentamos nanofilmes magnéticos padronizados com manipulação aprimorada sob controle de gradiente de campo magnético externo e que são capazes de realizar movimentos complexos, como rotação e flexão, com aplicabilidade em aplicações de robótica leve e engenharia biomédica.

As nanopartículas magnéticas de óxido de ferro vêm ganhando grande atenção devido à sua ampla variedade de aplicações potenciais em diversas áreas, como biomedicina, catálise, energia e monitoramento ambiental1,2,3,4,5,6,7. Dentro dessa estrutura, o arranjo espacial de nanopartículas magnéticas em padrões bem definidos em um substrato é frequentemente necessário para alcançar funções específicas desejadas. Isso é destacado em diversas aplicações, mas o desenvolvimento de um método de fabricação eficiente e eficaz para padronização controlada de nanopartículas magnéticas em superfícies continua sendo um desafio significativo8,9,10,11,12,13. As combinações de técnicas litográficas e automontagem convectiva podem ser usadas para resolver alguns dos problemas; diferentes processos de fabricação orientados a modelos, incluindo foto e litografia de feixe elétrico8, litografia suave9,10 e nanolitografia11 com caneta de imersão, foram usados ​​até o momento para gerar padrões de estruturas magnéticas com dimensões na escala de comprimento de menos de 100 nm a micrômetro. No entanto, existem algumas limitações inerentes associadas a esses métodos, incluindo a necessidade de várias etapas de processamento e instrumentação complexa, tornando-os lentos e caros, e sua natureza baseada em modelo, tornando a personalização em massa e a produção iterativa, de alto rendimento e flexível inviável. Alternativamente, técnicas de escrita direta, como impressão a jato de tinta12 e escrita direta a laser13 são atraentes devido às suas características de maior simplicidade, flexibilidade de design, prototipagem rápida e economia de material. No entanto, em seu formato convencional, eles oferecem resolução de impressão limitada com um tamanho mínimo de recurso na faixa de 50–100 µm12.

Esta pesquisa propõe o uso de Aerosol Jet Printing (AJP) como um processo de fabricação que pode introduzir novas possibilidades de produção de padrões magnéticos em escala de mícrons em diferentes substratos. AJP é uma tecnologia emergente de escrita direta sem contato que tem sido explorada em uma ampla gama de aplicações para a fabricação digital de componentes eletrônicos, atuadores, sensores e superfícies estruturadas para engenharia de tecidos13,14,15,16,17. O princípio de funcionamento do AJP é o uso de um aerossol focado para a impressão de alta resolução (até 10 μm) de uma variedade de materiais em deslocamentos de substrato de bico de 1 a 5 mm, permitindo a padronização sobre estruturas existentes, diferentes texturas de superfície , em superfícies curvas e em canais18,19,20. Dependendo da viscosidade da tinta e do desempenho de impressão necessário para a aplicação, pode-se usar a atomização ultrassônica ou pneumática, permitindo a impressão de materiais líquidos com uma ampla faixa de viscosidade (1–1000 cP). Exemplos de materiais usados ​​até o momento incluem polímeros, nanopartículas metálicas, cerâmicas e proteínas21,22,23,24,25,26,27. Na área de materiais magnéticos, Craton et al. relataram recentemente o uso de AJP para a deposição de nanopartículas de ferrita de níquel-zinco/nanocompósitos de poliimida para aplicações de embalagem de microondas28.