Localized Joule heating and carbonization process optimization of 3D printed polymer structures for lab-on-CMOS applications

تخيل عالماً يمكن فيه للأدمغة الإلكترونية الصغيرة داخل حواسيبنا أن تعمل أيضاً كعيون وأيدٍ لأدوات طبية مجهرية. هذا هو الوعد الذي تقدمه تقنية "المختبر على شريحة" (lab-on-a-chip)، حيث تُجرى اختبارات كيميائية أو بيولوجية معقدة على شريحة سيليكونون واحدة مصغرة. ولكي تعمل هذه الأجهزة، فإنها تحتاج إلى أقطاب كهربائية—وهي رؤوس موصلة دقيقة يمكنها لمس وقياس الخلايا أو الجزيئات الفردية. ومن الناجي أن تُصنع هذه الأقطب من الكربون، وهي مادة لطيفة على الأنسجة الحية وممتازة في استشعار التغيرات الكيميائية. ومع ذلك، هناك عقبة رئيسية: فالطريقة القياسية لتحويل البلاستيك اللين إلى كربون صلب وموصل تتطلب خبز المادة في درجات حرارة عالية جداً لدرجة أنها قد تذيب الدوائر الإلكترونية الحساسة الموجودة بجوارها مباشرة. إنها معضلة هندسية كلاسيكية: أنت بحاجة إلى الحرارة لصنع الأداة، لكن الأداة لا يمكنها النجاة من الحرارة.

لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة تينيسي ومختبر أوك ريدج الوطني طريقة ذكية للالتفاف حول هذه المشكلة. فبدلاً من خبز الشريحة بأكملها في فرن، تعلموا كيفية تسخين الهيكل البلاستيكي المحدد الذي يريدون تحويله إلى كربون فقط، مع ترك الإلكترونيات الحساسة باردة وآمنة. لقد حققوا ذلك عن طريق تحويل البلاستिक أولاً إلى حالة "شبه موصلة" باستخدام درجة حرارة فرن معتدلة، ثم تمرير تيار كهربائي صغير عبر هذا الجسر شبه الموصل. ولد هذا التيار حرارة مركزة وموضعية في المكان المطلوب تماماً، مما أتم المهمة المتمثلة في تحويل البلاستيك إلى كربون نقي دون رفع درجة حرارة الشريحة المحيطة إلى مستويات خطيرة أبداً.

بدأت الرحلة بطابعة ثلاثية الأبعاد قادرة على رسم هياكل دقيقة للغاية، أصغر من عرض شعرة الإنسان. استخدم الباحثون تقنية تسمى "بلمرة الفوتونين" لطباعة شكل محدد على شريحة سيليكون: عمودان صغيران متصلان بجسر رفيع جداً، يشبه جسراً معلقاً صغيراً. كان هذا الهيكل مصنوعاً من بلاستيك سائل خاص. وكان الهدف هو تحويل هذا الجسر البلاستيكي إلى سلك كربوني يمكنه توصيل الكهرباء. وتتضمن الطريقة التقليدية تسخين الشريحة بأكملها إلى ما يقرب من 1000 درجة مئوية، وهي درجة حرارة من شأنها تدمير المستشعرات الإلكترونية على الشريحة. ولتجنب ذلك، استخدم الفريق عملية تسخين أكثر لطفاً في البداية، حيث قاموا بتسخين الشريحة إلى حوالي 500 أو 600 درجة مئوية. أدت هذه الخطوة إلى تحويل البلاستيك جزئياً إلى كربون، مما جعله موصلاً للكهرباء بشكل ما، ولكن ليس بما يكفي ليكون قطباً كهربائياً نهائياً مفيداً.

جاء الاختراق عندما طبقوا الكهرباء مباشرة على هذه الجسور التي تم تفحيمها جزئياً. ولأن الجسر كان أرفع بكثير من الأعمدة التي يقف عليها، فقد تركزت المقاومة الكهربائية في هذا القسم الضيق من المنتصف. وعندما طبق الباحثون جهداً كهربائياً، واجهت الكهرباء صعوبة في المرور عبر الجسر الرفيع، مما تسبب في تسخينه بشدة، تماماً مثل سلك المحمصة (التوستر) الذي يتوهج باللون الأحمر بينما يظل باقي جهاز المحمصة بارداً. استخدم الفريق عمليات محاكاة حاسوبية للتنبؤ بدقة بمقدار الحرارة التي ستتولد وأين ستتولد. ووجدوا أنه من خلال التحكم بعناية في الجهد الكهربائي، يمكنهم رفع درجة حرارة ذلك الجسر الصغير فقط إلى أكثر من 700 درجة مئوية، وهي درجة حرارة كافية لإتمام عملية التحول إلى كربون، بينما ظلت بقية الشريحة أقل بكثير من حد التلف.

ولإثبات نجاح ذلك، قام الباحثون ببناء عدة من هذه الهياكل وإخضاعها لجداول تسخين مختلفة. ووجدوا أن مجرد خبز البلاستيك لفترة طويلة عند 600 درجة مئوية جعل المادة موصلة، لكن الموصلية كانت غير مستقرة وتتلاشى بمرور الوقت. ومع ذلك، عندما استخدموا التيار الكهربائي لتسخين الهيكل، كانت النتائج فورية ودراماتيكية. فمن خلال تطبيق جهد آمن يبلغ حوالي 31 فولت، لاحظوا الجسر يتوهج بسطوع في الظلام، مما يشير إلى أنه وصل إلى درجات حرارة عالية بما يكفي لتفحيم المادة بالكامل. وفي إحدى التجارب، وصل الجسر إلى درجة حرارة تقديرية بلغت 727 درجة مئوية، مما أثبت بنجاح جدوى الوصول إلى درجات الحرارة العالية محلياً لتفحيم المادة.

لم تكن العملية خالية من المخاطر. فالحرارة الشديدة الناتجة عن التيار الكهربائي كانت مركزة للغاية لدرجة أنها في بعض الحالات جعلت الجسر يسخن أكثر من اللازم وتبخر الكربون، مما أدى إلى انقطاع السلك. شاهد الباحثون ذلك تحت المجهر: تظهر نقطة ضوء ساطعة على الجسر، وبعد لحظات ينقطع الاتصال. أخبرهم هذا أنه بينما أثبتت الطريقة القدرة على الوصول إلى درجات الحرارة العالية محلياً، إلا أنها لم تنتج بعد منتجاً نهائياً مستقراً وغير منقطع. كان الجسر عرضة للتلف، وكانت نقطة الضوء التي تشير إلى الحرارة العالية تختفي مع انكسار الهيكل، مما يشير إلى وجود انقطاع في السلك. ومع ذلك، فإن حقيقة قدرتهم على الوصول إلى درجات الحرارة العالية هذه محلياً، دون حرق الشريحة بأكملها، كانت خطوة كبيرة للأمام.

كما فحص الفريق التركيبة الكيميائية للمادة الناتجة باستخدام تقنية تسمى "مطيافية رامان"، والتي تعمل مثل ماسح للبصمات الجزيئية. وقارنوا بين الكربون المصنوع بطريقتهم الكهربائية الجديدة والكربون المصنوع بطريقة الفرن عالية الحرارة التقليدية. وأظهرت النت النتائج أنه بينما أنتجت طريقة التسخين الكهربائي مادة ذات خصائص مشابهة للكربون المصنوع في الفرن، إلا أنها لم تكن متطابقة كيميائياً. وتحديداً، افتقر الكربون الناتج عن التسخين الكهربائي إلى سمة طيفية محددة (النطاق G') التي كانت موجودة في العينات المصنوعة عند 950 درجة مئوية. وأشار هذا إلى أنه بينما تم تحويل المادة بشكل كبير، إلا أن العملية لم تحقق بعد نفس المستوى من المثالية الهيكلية التي توفرها الطريقة التقليدية عالية الحرارة.

يشير هذا العمل إلى مسار جديد لبناء مستشعرات طبية متقدمة. فمن خلال استخدام الكهرباء للقيام بالعمل الشاق المتمثل في التسخين، يمكن للعلماء الآن تخيل طباعة أقطاب كربونية مباشرة على شرائح إلكترونية حساسة. وهذا يفتح الباب أمام إنشاء أجهزة "المختبر على CMOS" (lab-on-CMOS)، حيث يتم بناء المستشعر والحاسوب الذي يقرأ البيانات معاً في حزمة واحدة مدمجة. لقد أثبت الباحثون أنه من الممكن تحويل هيكل بلاستيكي مطبوع ثلاثي الأبعاد إلى قطب كربوني قوي باستخدام عملية من خطوتين: خبز لطيف للبدء، يليه شرارة كهربائية مركزة لإتمام المهمة. وبينما لا تزال التقنية تتطلب ضبطاً دقيقاً لمنع الأسلاك من الانكسار ولضمان وصول المادة إلى أعلى جودة، فإن الفكرة الجوهرية قد تم إثباتها: يمكنك خبز الأداة دون حرق المطبخ.