Un equipo del MIT fabrica puertas lógicas libres de semiconductores, que se pueden utilizar para realizar computación. Con este hito, los investigadores esperan racionalizar la fabricación de electrónica

Los componentes de electrónica activa que pueden controlar las señales eléctricas suelen contener dispositivos semiconductores que reciben, almacenan y procesan información. Estos componentes, que deben fabricarse en una sala limpia, requieren tecnología de fabricación avanzada que no está ampliamente disponible fuera de unos pocos centros de fabricación especializados.

 

Imagen: Cortesía de los investigadores / https://news.mit.edu

 

Durante la pandemia de Covid-19, la falta de instalaciones de fabricación generalizada de semiconductores fue una de las causas de una escasez mundial de aparatos electrónicos, que imposió los costos para los consumidores y tuvo implicaciones en todo, desde el crecimiento económico hasta la defensa nacional. La capacidad de imprimir en 3D un dispositivo electrónico activo completo sin necesidad de semiconductores podría llevar la fabricación electrónica a empresas, laboratorios y hogares de todo el mundo.

 

Aunque esta idea aún está lejos, los investigadores del MIT han dado un paso importante en esa dirección al demostrar fusibles de reinicio totalmente impresos en 3D, que son componentes clave de la electrónica activa que generalmente requieren semiconductores.

 

Los dispositivos despreciables de los investigadores, que produjeron utilizando hardware de impresión 3D estándar y un material barato y biodegradable, pueden realizar las mismas funciones de conmutación que los transistores basados en semiconductores utilizados para las operaciones de procesamiento en electrónica activa.

 

Aunque aún lejos de lograr el rendimiento de los transistores semiconductores, los dispositivos impresos en 3D podrían utilizarse para operaciones de control básicas como la regulación de la velocidad de un motor eléctrico.

Esta tecnología tiene piernas reales. Si bien no podemos competir con el silicio como semiconductor, nuestra idea no es necesariamente reemplazar lo que existe, sino empujar la tecnología de impresión 3D a territorio inexplorado. En pocas palabras, se trata realmente de democratizar la tecnología. Esto podría permitir a cualquiera crear hardware inteligente lejos de los centros de fabricación tradicionales, dice Luis Fernando Velásquez-García, un científico principal de investigación en Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (MTL) del MIT.

 

Un proyecto inesperado

Los semiconductores, incluido el silicio, son materiales con propiedades eléctricas que se pueden adaptar añadiendo ciertas impurezas. Un dispositivo de silicio puede tener regiones conductivas e insuladoras, dependiendo de cómo se diseque. Estas propiedades hacen que el silicio sea ideal para producir transistores, que son un bloque básico de construcción de la electrónica moderna.

 

Sin embargo, los investigadores no se dipusieron a dispositivos de impresión 3D libres de semiconductores que pudieran comportarse como transistores a base de silicio.

 

Este proyecto surgió de otro en el que estaban fabricando bobinas magnéticas usando impresión de extrusión, un proceso donde la impresora derrite el filamento y chorrea material a través de una boquilla, fabricando una capa de objeto por capa.

 

Vieron un fenómeno interesante en el material que estaban usando, un filamento de polímero dopado con nanopartículas de cobre.

 

Si pasaran una gran cantidad de corriente eléctrica en el material, expondría un enorme pico de resistencia, pero volvería a su nivel original poco después de que el flujo actual se detuviera.

Esta propiedad permite a los ingenieros fabricar transistores que pueden operar como interruptores, algo que normalmente solo se asocia con silicio y otros semiconductores. Los transistores, que se enciende y se desactivan para procesar datos binarios, se utilizan para formar puertas lógicas que realizan computación.

Vimos que esto era algo que podía ayudar a llevar el hardware de impresión 3D al siguiente nivel. Ofrece una forma clara de proporcionar un cierto grado de "smart".

 

Los investigadores trataron de 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 funcionar como un fusible resettable.

 

Suponen que las partículas de cobre en el material se extienden cuando se calienta por la corriente eléctrica, lo que provoca un pico de resistencia que vuelve a caer cuando el material se enfría y las partículas de cobre se acercan. También piensan que la base de polímero del material cambia de cristalina a amorfa cuando se calienta, luego regresa a cristalino cuando se enfría, un fenómeno conocido como el coeficiente de temperatura positiva polimérica.

 

Por ahora, esa es nuestra mejor explicación, pero esa no es la respuesta completa porque no explica por qué sólo sucedió en esta combinación de materiales. Tenemos que hacer más investigación, pero no hay duda de que este fenómeno es real, dice.

 

Electrónica activa de impresión 3D

El equipo aprovechó el fenómeno para imprimir interruptores en un solo paso que podría ser utilizado para formar puertas lógicas libres de semiconductores.

 

Los dispositivos están hechos de rastros delgados y impresos en 3D del polímero con cobre. Contienen regiones conductivas intersecruetivas que permiten a los investigadores regular la resistencia controlando el voltaje alimentado en el interruptor.

 

Si bien los dispositivos no funcionaron tan bien como los transistores a base de silicio, podían ser utilizados para funciones de control y procesamiento más simples, como encender y apagar un motor. Sus experimentos mostraron que, incluso después de 4.000 ciclos de conmutación, los dispositivos no mostraron signos de deterioro.

 

Pero hay límites a lo pequeño que los investigadores pueden hacer los interruptores, basados en la física de la impresión de extrusión y las propiedades del material. Podrían imprimir dispositivos que eran unos pocos cientos de micras, pero los transistores en la electrónica de última generación tienen sólo unos pocos nanómetros de diámetro.

 

La realidad es que hay muchas situaciones de ingeniería que no requieren las mejores fichas. Al final del día, todo lo que te importa es si tu dispositivo puede hacer la tarea. Esta tecnología es capaz de satisfacer una restricción como esa, 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 desperdicios. El filamento de polímero también podría estar dopado con otros materiales, como micropartículas magnéticas que podrían permitir funcionalidades adicionales.

 

En el futuro, los investigadores quieren utilizar esta tecnología para imprimir electrónica totalmente funcional. Se esfuerzan por fabricar un motor magnético de trabajo usando sólo impresión 3D de extrusión. También quieren afinar el proceso para poder construir circuitos más complejos y ver hasta qué punto pueden empujar el rendimiento de estos dispositivos.

 

Fuente: https://news.mit.edu

Autor original: Adam Zewe

 

---

Volver al listado