Исследователи из Массачусетского технологического института неожиданно наткнулись на способ печатать на 3D-принтере активную электронику, то есть транзисторы и компоненты для управления электрическими сигналами, без использования полупроводников или даже специальной технологии изготовления.
Это выходит далеко за рамки того, что мы можем сделать с помощью 3D-принтеров в настоящее время. И если этот метод будет усовершенствован, он может в конечном итоге стать началом новой волны в прототипировании, экспериментировании и даже проектах DIY для любителей поработать дома.
С помощью 3D-печати любой из ряда материалов, включая термопластичные нити, смолу, керамику и металл, укладывается последовательными тонкими слоями, чтобы сформировать трехмерный объект. Это означает, что вы можете печатать все виды вещей, от фигурок до ювелирных изделий, от мебели до зданий.
Так почему бы нам не печатать на 3D-принтере работающую электронику? Основная проблема заключается в том, что полупроводники, которые традиционно изготавливаются из чистого кремния и разрезаются на тонкие пластины для изготовления чипов для гаджетов, чрезвычайно хрупкие. На их функциональность могут влиять пыль, частицы и микробы в воздухе, а также температура и влажность. Поэтому с ними обращаются осторожно в чистых помещениях, где качество воздуха и другие факторы строго контролируются, чтобы гарантировать точную работу чипов, изготовленных внутри.
Плюс, современный дизайн чипов чрезвычайно сложен, с миллионами или миллиардами транзисторов, втиснутых в крошечные процессоры с использованием технологий обработки нанометрового масштаба. Это гораздо точнее, чем то, чего мы можем достичь в настоящее время с помощью стандартных 3D-принтеров.
Для справки, чип IBM Gekko, который был установлен в Nintendo GameCube в 2001 году, имел 21 миллион транзисторов. Чип Apple A12 Bionic в iPhone XS 2018 года имел 6,9 миллиарда транзисторов и был изготовлен с использованием 7-нанометрового технологического процесса.
Если говорить точнее, 3D-печать современных гаджетов — это совсем не то, к чему стремились исследователи MIT. На самом деле, когда они это придумали, у них даже не было полупроводников на уме.
Исследователи изготавливали магнитные катушки с помощью процесса, называемого экструзионной печатью, для другого проекта. Именно тогда они заметили, что используемый ими материал — полимерная нить, легированная медными наночастицами — демонстрировал большой скачок сопротивления при пропускании через него электрического тока. И как только они отключали ток, сопротивление материала возвращалось к норме.
Это, по сути, свойство, которое мы наблюдаем в полупроводниках, таких как кремний. Вот почему мы используем их для создания транзисторов, которые включаются и выключаются для формирования логических вентилей в процессорах.
«Мы увидели, что это то, что может помочь вывести оборудование для 3D-печати на новый уровень», — сказал Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, главный научный сотрудник Лабораторий микросистемных технологий Массачусетского технологического института. «Это дает четкий способ придать электронному устройству некоторую степень «умности».
Крупный план устройств, напечатанных на 3D-принтере, изготовленных из тонких слоев полимера, легированного медьюЛуис Фернандо Веласкес-Гарсия
Команда продемонстрировала полностью напечатанные на 3D-принтере восстанавливаемые предохранители и транзисторы с использованием этого недорогого материала. Это простые, хотя и необходимые компоненты в электронных устройствах, которые обычно используют сложные в обращении полупроводники.
При размере в несколько сотен микрометров эти транзисторы далеко не такие маленькие или производительные, как те, которые вы найдете в процессоре iPhone. Однако они долговечны и могут использоваться для ряда простых приложений. Это включает в себя что-то такое простое, как переключатель для управления двигателем, и для превращения в детали для интегральных схем.
«Реальность такова, что существует множество инженерных ситуаций, которые не требуют лучших чипов», — сказал Фернандо Веласкес-Гарсия. «В конце концов, все, что вас волнует, — это может ли ваше устройство выполнить задачу. Эта технология способна удовлетворить такое ограничение».
Благодаря биоразлагаемому материалу и отсутствию необходимости в чистых помещениях этот метод изготовления простой электроники может найти применение в местах, где сложно производить высококачественные изделия, например, в удаленных исследовательских лабораториях и «на борту космических аппаратов».
Вот это я и называю счастливой случайностью. Статья об исследовании была опубликована в журнале Virtual and Physical Prototyping.
