El sello "Electroadhesivo" recoge y deposita las estructuras microscópicas.


Si abriera su teléfono inteligente, vería un conjunto de chips y componentes dispuestos en una placa de circuito, como una ciudad en miniatura. Cada componente puede contener "chiplets" incluso más pequeños, algunos de los cuales no son más anchos que un cabello humano. Estos elementos a menudo se ensamblan con pinzas robóticas diseñadas para recoger los componentes y colocarlos en configuraciones precisas.

Como las placas de circuito impreso contienen componentes cada vez más pequeños, la capacidad de las pinzas robóticas para manipular estos objetos se está acercando al límite.

"Para fabricar componentes electrónicos, debe manipular y ensamblar componentes pequeños que sean del mismo tamaño o más pequeños que los granos de harina", explica Sanha Kim, ex becaria postdoctoral del MIT y científica investigadora en el laboratorio del profesor asociado John Hart. "Por lo tanto, necesita una solución especial de" recoger y colocar "en lugar de simplemente miniaturizar las pinzas robóticas y los sistemas de vacío existentes".

Kim, Hart y otros han desarrollado un sello en miniatura "electroadhesivo" que captura y deposita objetos de hasta 20 nanómetros de ancho, aproximadamente 1,000 veces más fino que un cabello humano. El sello está hecho de un bosque escaso de nanotubos de carbono recubiertos de cerámica dispuestos en cerdas sobre un cepillo pequeño.

Cuando el parche se somete a un voltaje bajo, los nanotubos de carbono se cargan temporalmente, formando polos de atracción eléctrica que pueden atraer una partícula diminuta. Al cortar la corriente, el "sello" del búfer desaparece, lo que le permite liberar el objeto en la ubicación deseada.

Según Hart, la técnica de estampado se puede adaptar al formato de fabricación para imprimir características micro y nano, por ejemplo, para integrar cada vez más elementos en chips de computadora cada vez más pequeños. La técnica también se puede utilizar para estructurar otras características complejas pequeñas, como las células para tejidos artificiales. Además, el equipo está considerando superficies electroadhesivas a escala macroscópica y bioinspirada, como electrodos activados por voltaje para agarrar objetos cotidianos y robots trepadores tipo geco.

"Simplemente controlando la tensión, puedes pasar de una superficie con tracción cero a una tracción tan fuerte, por unidad de área, que puede actuar un poco como el pie de un gecko", dice Hart.

El equipo publicó sus hallazgos hoy en la revista. Progreso de la ciencia.

El equipo también incluye a Michael Boutilier, un ex becario postdoctoral en el MIT y ahora profesor adjunto en la Western University en Ontario, con un doctorado del MIT. Nigamaa Nayakanti, becario postdoctoral en el MIT Changhong Cao, y colaboradores de la Universidad de Pensilvania, incluido el profesor Kevin Turner.

Como escocés seco

Las pinzas mecánicas existentes son incapaces de agarrar objetos de menos de 50 a 100 micras, principalmente porque, a escalas más pequeñas, las fuerzas superficiales tienden a superar la gravedad. Puede notar esto al verter harina con una cuchara; inevitablemente, pequeñas partículas se adhieren a la superficie de la cuchara, en lugar de permitir que la gravedad las arrastre.

"El dominio de las fuerzas de superficie sobre las fuerzas gravitacionales se convierte en un problema cuando se trata de colocar objetos más pequeños con precisión, ese es el proceso fundamental por el cual la electrónica se ensambla en sistemas integrados". dijo Hart.

Él y sus colegas han señalado que la electricidad, el proceso de unión de materiales a través del voltaje aplicado, se ha utilizado en algunos entornos industriales para seleccionar y colocar objetos grandes, como telas, textiles y obleas. Todo el silicio. Pero esta misma electroadhesión nunca se había aplicado a objetos a nivel microscópico, ya que se necesitaba un nuevo diseño de material para controlar la electroadhesión a escalas más pequeñas.

El grupo Hart ya ha trabajado con nanotubos de carbono (CNT), átomos de carbono unidos por una red y enrollados en tubos microscópicos. Los NTC son conocidos por sus excelentes propiedades mecánicas, eléctricas y químicas, y han sido ampliamente estudiados como adhesivos secos.

"El trabajo previo sobre adhesivos secos basados ​​en CNT se centró en maximizar el área de contacto de los nanotubos para crear esencialmente una cinta adhesiva seca", dijo Hart. "Tomamos el enfoque opuesto y dijimos:" Diseñemos una superficie de nanotubos para minimizar el área de contacto, pero usemos electrostática para activar la adhesión cuando la necesitemos ".

La nueva almohadilla electroadhesiva selecciona y coloca un chip LED de 170 micras, usando un voltaje externo de 30V para "pegar" temporalmente al LED. Cortesía de los investigadores.

Un interruptor pegajoso

El equipo descubrió que si cubrían los NTC con un material dieléctrico delgado, como el óxido de aluminio, cuando aplicaban un voltaje a los nanotubos, la capa de cerámica se polarizaba, lo que significa que su Las cargas positivas y negativas se separaron temporalmente. Por ejemplo, las cargas positivas de los extremos de los nanotubos indujeron polarización opuesta en cualquier material conductor cercano, como un elemento electrónico microscópico.

Como resultado, el tampón basado en nanotubos se adhirió al elemento, recogiéndolo como pequeños dedos electrostáticos. Cuando los investigadores desconectaron el voltaje, los nanotubos y el elemento se despolarizaron y la "adherencia" desapareció, permitiendo que la almohadilla se desprenda y coloque el objeto en una superficie determinada.

El equipo exploró varias formulaciones de patrones de sellos, modificando la densidad de los nanotubos de carbono desarrollados en el sello, así como el grosor de la capa de cerámica utilizada para recubrir cada nanotubo. Descubrieron que cuanto más fina era la capa de cerámica, cuanto menos espaciados estaban los nanotubos de carbono, mayor era la relación de encendido / apagado del amortiguador, lo que significaba que mayor era la unión del amortiguador cuando el voltaje se activaba o desactivaba .

En sus experimentos, el equipo utilizó el tampón para recolectar y depositar películas de nanocables, unas 1000 veces más finas que un cabello humano. También utilizaron esta técnica para seleccionar y colocar patrones complejos de micropartículas de polímeros y metales, así como micro-LED.

Según Hart, la tecnología de impresión electroadhesiva podría ampliarse para la fabricación de placas de circuito impreso y sistemas de microchips en miniatura, así como pantallas con píxeles. LED a microescala.

"Con las capacidades cada vez mayores de los dispositivos de estado sólido, una necesidad y oportunidad importantes es integrar componentes más pequeños y diversos, como microprocesadores, sensores y dispositivos ópticos", dijo Hart. . "A menudo, estos se fabrican necesariamente por separado, pero deben integrarse juntos para crear sistemas electrónicos de nueva generación. Nuestra tecnología permite llenar el vacío necesario para el ensamblaje evolutivo y económico de estos sistemas. "

Esta investigación fue financiada en parte por el Toyota Research Institute, la National Science Foundation y el programa MIT-Skoltech Next Generation.

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