Aktywna elektronika – komponenty sterujące sygnałami elektrycznymi – zwykle zawiera urządzenia półprzewodnikowe, które odbierają, przechowują i przetwarzają informacje. Elementy te, które muszą być wykonane w pomieszczeniu czystym, wymagają zaawansowanej technologii wytwarzania, która nie jest powszechnie dostępna poza kilkoma wyspecjalizowanymi centrami produkcyjnymi.
Podczas pandemii Covid-19 brak szeroko rozpowszechnionych zakładów produkujących półprzewodniki był jedną z przyczyn światowych niedoborów elektroniki, co podniosło koszty dla konsumentów i miało konsekwencje we wszystkim, od wzrostu gospodarczego po obronę narodową. Możliwość wydrukowania w 3D całego, aktywnego urządzenia elektronicznego bez konieczności stosowania półprzewodników może zapewnić produkcję elektroniki firmom, laboratoriom i domom na całym świecie.
Chociaż pomysł ten jest wciąż odległy, badacze z MIT zrobili ważny krok w tym kierunku, demonstrując w pełni wydrukowane w 3D bezpieczniki resetowalne, które są kluczowymi elementami aktywnej elektroniki, która zwykle wymaga półprzewodników.
Bezpółprzewodnikowe urządzenia badaczy, które wyprodukowali przy użyciu standardowego sprzętu do drukowania 3D i niedrogiego, biodegradowalnego materiału, mogą wykonywać te same funkcje przełączające, co tranzystory półprzewodnikowe używane do operacji przetwarzania w aktywnej elektronice.
Chociaż urządzenia wydrukowane w 3D są jeszcze dalekie od osiągnięcia wydajności tranzystorów półprzewodnikowych, można je wykorzystać do podstawowych operacji kontrolnych, takich jak regulacja prędkości silnika elektrycznego.
„Ta technologia ma prawdziwe nogi. Chociaż nie możemy konkurować z krzemem jako półprzewodnikiem, naszą ideą nie jest koniecznie zastąpienie tego, co istnieje, ale wypchnięcie technologii druku 3D na nieznane terytorium. Krótko mówiąc, tak naprawdę chodzi o demokratyzację technologii. To mogłoby pozwolić każdemu na stworzenie inteligentnego sprzętu z dala od tradycyjnych centrów produkcyjnych” – mówi Luis Fernando Velásquez-García, główny naukowiec w Laboratoriach Technologii Mikrosystemów (MTL) MIT i starszy autor artykułu opisującego te urządzenia, który pojawia się w czasopiśmie Prototypowanie wirtualne i fizyczne.
W artykule towarzyszy mu główny autor Jorge Cañada, absolwent elektrotechniki i informatyki.
Nieoczekiwany projekt
Półprzewodniki, w tym krzem, to materiały o właściwościach elektrycznych, które można dostosować poprzez dodanie określonych zanieczyszczeń. Urządzenie krzemowe może mieć obszary przewodzące i izolujące, w zależności od jego konstrukcji. Te właściwości sprawiają, że krzem idealnie nadaje się do produkcji tranzystorów, które są podstawowym elementem konstrukcyjnym współczesnej elektroniki.
Naukowcy nie zamierzali jednak drukować w 3D urządzeń niezawierających półprzewodników, które mogłyby zachowywać się jak tranzystory na bazie krzemu.
Projekt ten wyrósł z innego, w ramach którego wytwarzano cewki magnetyczne przy użyciu druku ekstruzyjnego – procesu, w którym drukarka topi żarnik i przeciska materiał przez dyszę, wytwarzając obiekt warstwa po warstwie.
Zaobserwowali ciekawe zjawisko w używanym przez siebie materiale – włóknie polimerowym domieszkowanym nanocząsteczkami miedzi.
Gdyby przepuścili dużą ilość prądu elektrycznego do materiału, wykazywałby on ogromny wzrost oporu, ale powróciłby do pierwotnego poziomu wkrótce po ustaniu przepływu prądu.
Ta właściwość umożliwia inżynierom wytwarzanie tranzystorów, które mogą działać jako przełączniki, co zwykle jest kojarzone tylko z krzemem i innymi półprzewodnikami. Tranzystory, które włączają się i wyłączają w celu przetwarzania danych binarnych, służą do tworzenia bramek logicznych, które wykonują obliczenia.
„Widzieliśmy, że może to pomóc przenieść sprzęt do druku 3D na wyższy poziom. Oferuje jasny sposób na zapewnienie pewnego stopnia „inteligentności” urządzeniu elektronicznemu” – mówi Velásquez-García.
Naukowcy próbowali odtworzyć to samo zjawisko z innymi włóknami do druku 3D, testując polimery domieszkowane węglem, nanorurkami węglowymi i grafenem. Ostatecznie nie udało im się znaleźć innego nadającego się do druku materiału, który mógłby pełnić funkcję resetowalnego bezpiecznika.
Postawili hipotezę, że cząstki miedzi w materiale rozprzestrzeniają się, gdy jest on podgrzewany przez prąd elektryczny, co powoduje gwałtowny wzrost oporu, który spada, gdy materiał się ochładza, a cząstki miedzi zbliżają się do siebie. Uważają również, że baza polimerowa materiału zmienia się z krystalicznej w amorficzną po podgrzaniu, a następnie powraca do krystalicznej po ochłodzeniu – jest to zjawisko znane jako polimeryczny dodatni współczynnik temperaturowy.
„Na razie to jest nasze najlepsze wyjaśnienie, ale nie jest to pełna odpowiedź, ponieważ nie wyjaśnia, dlaczego wydarzyło się to tylko w przypadku tej kombinacji materiałów. Musimy przeprowadzić więcej badań, ale nie ma wątpliwości, że to zjawisko jest prawdziwe „, mówi.
Aktywna elektronika drukowana w 3D
Zespół wykorzystał to zjawisko do wydrukowania w jednym kroku przełączników, które można wykorzystać do utworzenia bramek logicznych niezawierających półprzewodników.
Urządzenia są wykonane z cienkich, wydrukowanych w 3D śladów polimeru domieszkowanego miedzią. Zawierają przecinające się obszary przewodzące, które umożliwiają badaczom regulację rezystancji poprzez kontrolowanie napięcia podawanego do przełącznika.
Chociaż urządzenia nie działały tak dobrze, jak tranzystory krzemowe, można je było wykorzystać do prostszych funkcji sterowania i przetwarzania, takich jak włączanie i wyłączanie silnika. Ich eksperymenty wykazały, że nawet po 4000 cyklach przełączania urządzenia nie wykazywały żadnych oznak pogorszenia się.
Istnieją jednak ograniczenia co do wielkości przełączników, jakie badacze mogą wykonać, biorąc pod uwagę fizykę druku ekstruzyjnego i właściwości materiału. Mogli drukować urządzenia o średnicy kilkuset mikronów, ale tranzystory w najnowocześniejszej elektronice mają średnicę zaledwie kilku nanometrów.
„Rzeczywistość jest taka, że istnieje wiele sytuacji inżynieryjnych, które nie wymagają najlepszych chipów. Ostatecznie interesuje Cię tylko to, czy Twoje urządzenie poradzi sobie z zadaniem. Ta technologia jest w stanie spełnić takie ograniczenie, „mówi.
Jednak w przeciwieństwie do produkcji półprzewodników, ich technika wykorzystuje materiał biodegradowalny, a proces zużywa mniej energii i wytwarza mniej odpadów. Włókno polimerowe można również domieszkować innymi materiałami, takimi jak mikrocząstki magnetyczne, które mogłyby zapewnić dodatkowe funkcjonalności.
W przyszłości naukowcy chcą wykorzystać tę technologię do drukowania w pełni funkcjonalnej elektroniki. Starają się wyprodukować działający silnik magnetyczny przy użyciu wyłącznie druku 3D metodą wytłaczania. Chcą także udoskonalić proces, aby móc budować bardziej złożone obwody
Prace te są częściowo finansowane przez Empiriko Corporation.
