La electrónica activa (componentes que pueden controlar señales eléctricas) suele consistir en dispositivos semiconductores que reciben, almacenan y procesan información. Estos componentes, que deben fabricarse en una casa limpia, requieren tecnología de fabricación avanzada que no está ampliamente disponible fuera de unas pocas instalaciones de fabricación especializadas.
Durante la pandemia de Covid-19, la falta de instalaciones generalizadas de fabricación de semiconductores fue un factor de escasez mundial de productos electrónicos, aumentando los costos para los consumidores y afectando todo, desde el crecimiento económico hasta la defensa nacional. La capacidad de imprimir en 3D un dispositivo electrónico completo y activo sin necesidad de semiconductores podría fabricar productos electrónicos en empresas, laboratorios y hogares de todo el mundo.
Aunque el concepto todavía está muy lejos, los investigadores del MIT han dado un paso importante en esa dirección al demostrar fusibles reajustables totalmente impresos en 3D, un componente clave de la electrónica activa que normalmente requiere semiconductores.
El dispositivo sin semiconductores de los investigadores, que crearon utilizando hardware de impresión 3D estándar y un material biodegradable y económico, puede realizar la misma función de conmutación que los transistores basados en semiconductores utilizados para procesar la electrónica activa.
Aunque todavía estamos lejos de alcanzar el rendimiento de los transistores semiconductores, los dispositivos impresos en 3D se pueden utilizar para funciones de control básicas, como controlar la velocidad de los motores eléctricos.
“Esta tecnología tiene verdaderas posibilidades. Si bien no podemos competir con el silicio como semiconductor, nuestra idea no es necesariamente reemplazar lo que existe, sino llevar la tecnología de impresión 3D a un territorio desconocido. En resumen, se trata realmente de democratizar la tecnología. Alejarnos de los centros de fabricación tradicionales puede permitir que cualquiera construya hardware inteligente”, dijo Luis Fernando Velásquez-García, científico investigador principal de Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT y autor principal de un artículo que describe los dispositivos, que muestran. Prototipado virtual y físico.
A él se une en el artículo el autor principal, George Canada, un estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática.
Un proyecto inesperado
Los semiconductores, incluido el silicio, son materiales con propiedades eléctricas que se pueden fabricar añadiendo ciertas impurezas. Un dispositivo de silicio puede tener regiones conductoras y aislantes, dependiendo de cómo esté diseñado. Estas propiedades hacen que el silicio sea ideal para fabricar transistores, un componente fundamental de la electrónica moderna.
Sin embargo, los investigadores no se propusieron imprimir en 3D dispositivos libres de semiconductores que pudieran comportarse como transistores basados en silicio.
Este proyecto surgió de otro en el que fabricaban bobinas magnéticas mediante impresión por extrusión, un proceso en el que la impresora funde el filamento y lanza el material a través de una boquilla, creando un objeto capa por capa.
Observaron un fenómeno interesante en el material que estaban utilizando, un filamento polimérico dopado con nanopartículas de cobre.
Si envían una gran cantidad de corriente eléctrica al elemento, mostrará un gran aumento en la resistencia, pero volverá a su nivel original solo después de que se detenga el flujo de corriente.
Esta propiedad permite a los ingenieros crear transistores que pueden actuar como interruptores, algo que normalmente se asocia sólo con el silicio y otros semiconductores. Los transistores, que se encienden y apagan para procesar datos binarios, se utilizan para crear puertas lógicas que realizan cálculos.
“Vimos esto como algo que podría ayudar a llevar el hardware de impresión 3D al siguiente nivel. Ofrece una manera clara de impartir algo de ‘inteligente’ a un dispositivo electrónico”, dijo Velásquez-García.
Los investigadores intentaron replicar el mismo fenómeno con otros filamentos de impresión 3D probando polímeros dopados con carbono, nanotubos de carbono y grafeno. Al final, no pudieron encontrar otro material imprimible que pudiera actuar como fusible reajustable.
Plantearon la hipótesis de que las partículas de cobre en el material se propagan cuando se calientan con una corriente eléctrica, provocando un aumento en la resistencia que regresa a medida que el material se enfría y las partículas de cobre se acercan. También señalan que la base polimérica del material cambia de cristalina a amorfa cuando se calienta y luego vuelve a cristalina cuando se enfría, un fenómeno conocido como coeficiente de temperatura positivo polimérico.
“Por ahora, esta es nuestra mejor explicación, pero no es una respuesta completa porque no explica por qué sucedió solo con la combinación de estos elementos. Necesitamos hacer más investigaciones, pero no hay duda de que este fenómeno es real. “, dice.
Electrónica activa de impresión 3D
El equipo utilizó el fenómeno de imprimir interruptores en un solo paso que puede usarse para crear puertas lógicas sin semiconductores.
Los dispositivos están hechos de delgadas trazas impresas en 3D de polímero dopado con cobre. Contienen regiones conductoras que se cruzan que permiten a los investigadores controlar la resistencia controlando el voltaje aplicado al interruptor.
Aunque los dispositivos no funcionaban tan bien como los transistores basados en silicio, podían usarse para funciones simples de control y procesamiento, como encender y apagar un motor. Sus pruebas mostraron que, incluso después de 4.000 ciclos de conmutación, los dispositivos no mostraban signos de degradación.
Pero existen límites a la forma en que los investigadores pueden hacer pequeños interruptores basándose en la física de la impresión por extrusión y las propiedades de los materiales. Pueden imprimir dispositivos de cientos de micras, pero los transistores en la electrónica sofisticada tienen sólo unos pocos nanómetros de diámetro.
“La realidad es que hay muchas situaciones de ingeniería que no requieren los mejores chips. Al final del día, lo único que te importa es si tu dispositivo puede hacer el trabajo. Esta tecnología es capaz de superar esa limitación”, dijo. dice.
Sin embargo, a diferencia de la fabricación de semiconductores, su técnica utiliza un material biodegradable y el proceso utiliza menos energía y produce menos residuos. Los filamentos de polímero también se pueden dopar con otros materiales, como micropartículas magnéticas, que pueden permitir una funcionalidad adicional.
En el futuro, los investigadores quieren utilizar esta tecnología para imprimir dispositivos electrónicos completamente funcionales. Están intentando crear un motor magnético funcional utilizando únicamente impresión 3D por extrusión. Quieren afinar el proceso para crear circuitos más complejos
Este trabajo fue financiado parcialmente por Empirico Corporation.