De acordo com o MITos pesquisadores avançaram significativamente na produção de eletrônicos ativos – componentes que podem controlar sinais elétricos e geralmente contêm dispositivos semicondutores que recebem, armazenam e processam informações – usando impressão 3D. Esses componentes, que devem ser fabricados em salas limpas, exigem tecnologia de fabricação avançada que não está amplamente disponível fora de alguns centros de fabricação especializados.
Durante a pandemia de COVID-19a falta de instalações generalizadas de fabricação de semicondutores foi uma das causas da escassez mundial de produtos eletrónicos, o que aumentou os custos para os consumidores e teve implicações em tudo, desde o crescimento económico até à defesa nacional. A capacidade de imprimir em 3D um dispositivo eletrônico completo e ativo, sem a necessidade de semicondutores, poderia levar a fabricação de eletrônicos a empresas, laboratórios e residências em todo o mundo.
Embora essa ideia ainda esteja longe, os pesquisadores do MIT deram um passo importante ao demonstrar fusíveis reajustáveis totalmente impressos em 3D, que são componentes-chave da eletrônica ativa que geralmente requerem semicondutores. Os dispositivos livres de semicondutores dos pesquisadores, que eles produziram usando {hardware} de impressão 3D padrão e um materials biodegradável e barato, podem executar as mesmas funções de comutação que os transistores baseados em semicondutores usados para operações de processamento em eletrônica ativa.
Embora ainda longe de atingir o desempenho dos transistores semicondutores, os dispositivos impressos em 3D poderiam ser usados para operações básicas de controle, como common a velocidade de um motor elétrico.
“Esta tecnologia tem pernas reais. Embora não possamos competir com o silício como semicondutor, a nossa ideia não é necessariamente substituir o que já existe, mas sim empurrar a tecnologia de impressão 3D para um território desconhecido. Em suma, trata-se realmente de democratizar a tecnologia. Isso poderia permitir que qualquer pessoa criasse {hardware} inteligente longe dos centros de produção tradicionais”, disse Luis Fernando Velásquez-García, principal pesquisador do Microsystems Expertise Laboratories (MTL) do MIT e autor sênior do um artigo descrevendo os dispositivosque aparece em Prototipagem Digital e Física.
Ele é acompanhado no artigo pelo autor principal Jorge Cañada, estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação.
Um projeto inesperado
Semicondutores, incluindo silíciosão materiais com propriedades elétricas que podem ser adaptadas pela adição de certas impurezas. Um dispositivo de silício pode ter regiões condutoras e isolantes, dependendo de como foi projetado. Essas propriedades tornam o silício supreme para a produção de transistores, que são um elemento básico da eletrônica moderna.
No entanto, os pesquisadores não pretendiam imprimir em 3D dispositivos livres de semicondutores que pudessem se comportar como transistores baseados em silício. Este projeto surgiu de outro em que eles estavam fabricando bobinas magnéticas por meio de impressão por extrusão.
Eles viram um fenômeno interessante no materials que usavam, um filamento de polímero dopado com nanopartículas de cobre. Se eles passassem uma grande quantidade de corrente elétrica para o materials, ele exibiria um enorme aumento na resistência, mas retornaria ao seu nível unique brand após a interrupção do fluxo de corrente. Essa propriedade permite que os engenheiros façam transistores que podem operar como interruptores – algo que normalmente só é associado ao silício e outros semicondutores. Os transistores, que são ligados e desligados para processar dados binários, são usados para formar portas lógicas que realizam cálculos.
“Vimos que isso period algo que poderia ajudar a levar o {hardware} de impressão 3D para o próximo nível. Ele oferece uma maneira clara de fornecer algum grau de ‘inteligência’ a um dispositivo eletrônico”, disse Velásquez-García.
Os pesquisadores tentaram replicar o mesmo fenômeno com outros filamentos de impressão 3D – testando polímeros dopados com carbono, nanotubos de carbono e grafeno. No last, eles não conseguiram encontrar outro materials imprimível que pudesse funcionar como um fusível reinicializável.
Eles levantam a hipótese de que as partículas de cobre no materials se espalham quando ele é aquecido pela corrente elétrica, o que causa um aumento na resistência que volta a diminuir quando o materials esfria e as partículas de cobre se aproximam. Eles também acham que a base polimérica do materials muda de cristalino para amorfo quando aquecido, e depois retorna ao estado cristalino quando resfriado – um fenômeno conhecido como coeficiente de temperatura positivo polimérico.
“Por enquanto, essa é a nossa melhor explicação, mas não é a resposta completa porque não explica por que isso só aconteceu nesta combinação de materiais. Precisamos fazer mais pesquisas, mas não há dúvida de que esse fenômeno é actual”, afirmou.
Impressão 3D de eletrônicos ativos
A equipe aproveitou o fenômeno para imprimir interruptores em uma única etapa que poderiam ser usados para formar portas lógicas sem semicondutores. Os dispositivos são feitos de traços finos impressos em 3D do polímero dopado com cobre. Eles contêm regiões condutoras que se cruzam que permitem aos pesquisadores common a resistência controlando a tensão alimentada na chave.
Embora os dispositivos não tivessem um desempenho tão bom quanto os transistores baseados em silício, eles poderiam ser usados para funções mais simples de controle e processamento, como ligar e desligar um motor. Seus experimentos mostraram que, mesmo após 4.000 ciclos de comutação, os dispositivos não apresentavam sinais de deterioração.
No entanto, há limites para o tamanho das mudanças que os pesquisadores do MIT podem fazer, com base na física da impressão por extrusão e nas propriedades do materials. Eles podiam imprimir dispositivos com algumas centenas de mícrons, mas os transistores na eletrônica de última geração são apenas alguns nanômetros de diâmetro.
“A realidade é que existem muitas situações de engenharia que não exigem os melhores chips. No last das contas, tudo o que importa é se o seu dispositivo pode realizar a tarefa. Essa tecnologia é capaz de satisfazer uma restrição como essa”, disse ele.
No entanto, ao contrário da fabricação de semicondutoressua técnica utiliza um materials biodegradável e o processo utiliza menos energia e produz menos resíduos. O filamento polimérico também poderia ser dopado com outros materiais, como micropartículas magnéticas, que poderiam permitir funcionalidades adicionais.
No futuro, os pesquisadores do MIT querem usar essa tecnologia para imprimir eletrônicos totalmente funcionais e estão se esforçando para fabricar um motor magnético funcional usando apenas impressão 3D por extrusão. Eles também querem ajustar o processo para que possam construir circuitos mais complexos e ver até onde podem aumentar o desempenho desses dispositivos.
“Este artigo demonstra que dispositivos eletrônicos ativos podem ser feitos usando materiais condutores poliméricos extrudados. Essa tecnologia permite que componentes eletrônicos sejam incorporados em estruturas impressas em 3D. Uma aplicação intrigante é a impressão 3D sob demanda de mecatrônica a bordo de espaçonaves”, disse Roger Howe, professor emérito de engenharia William E. Ayer na Universidade de Stanford, que não esteve envolvido neste trabalho.
Este trabalho é financiado, em parte, pela Empiriko Company.