Pesquisadores do MIT Alcançam Avanço em Eletrônica Ativa Totalmente Impressa em 3D

Eletrônica e Sensores INSIDER

Os dispositivos são feitos de traços finos de polímero dopado com cobre impressos em 3D. Eles contêm regiões condutoras intersecantes que permitem aos pesquisadores regular a resistência controlando a tensão alimentada no interruptor. (Imagem: Cortesia dos pesquisadores)

O Desafio da Fabricação de Eletrônica Ativa

Eletrônica ativa — componentes que podem controlar sinais elétricos — geralmente contém dispositivos semicondutores que recebem, armazenam e processam informações. Esses componentes, que devem ser feitos em salas limpas, requerem tecnologia de fabricação avançada que não está amplamente disponível fora de alguns centros de manufatura especializados.

Durante a pandemia de Covid-19, a falta de instalações generalizadas de fabricação de semicondutores foi uma das causas de uma escassez mundial de eletrônicos, que elevou os custos para consumidores e teve implicações em tudo, desde crescimento econômico até defesa nacional. A capacidade de imprimir em 3D um dispositivo eletrônico ativo completo sem a necessidade de semicondutores poderia trazer a fabricação de eletrônicos para empresas, laboratórios e lares em todo o mundo.

Embora esta ideia ainda esteja distante, pesquisadores do MIT deram um passo importante nessa direção ao demonstrar fusíveis reiniciáveis totalmente impressos em 3D, que são componentes-chave da eletrônica ativa que geralmente requerem semicondutores.

Dispositivos Livres de Semicondutores

Os dispositivos livres de semicondutores dos pesquisadores, produzidos usando hardware padrão de impressão 3D e um material biodegradável barato, podem realizar as mesmas funções de comutação dos transistores baseados em semicondutores usados para operações de processamento em eletrônica ativa.

Embora ainda longe de alcançar o desempenho de transistores de silício, os dispositivos impressos em 3D podem ser usados para operações básicas de controle, como regular a velocidade de um motor elétrico.

"Esta tecnologia tem pernas reais. Embora não possamos competir com o silício como semicondutor, nossa ideia não é necessariamente substituir o que existe, mas levar a tecnologia de impressão 3D a territórios desconhecidos. Em suma, isso é realmente sobre democratizar a tecnologia. Isso poderia permitir que qualquer pessoa criasse hardware inteligente longe dos centros de manufatura tradicionais", disse Luis Fernando Velásquez-García, cientista principal de pesquisa nos Laboratórios de Tecnologia de Microssistemas (MTL) do MIT e autor sênior de um artigo descrevendo os dispositivos, publicado em Virtual and Physical Prototyping. Ele é acompanhado no artigo pelo autor principal Jorge Cañada, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação.

Descoberta Acidental

Semicondutores, incluindo silício, são materiais com propriedades elétricas que podem ser adaptadas adicionando certas impurezas. Um dispositivo de silício pode ter regiões condutoras e isolantes, dependendo de como é projetado. Essas propriedades tornam o silício ideal para produzir transistores, que são um bloco de construção básico da eletrônica moderna. No entanto, os pesquisadores não se propuseram a imprimir em 3D dispositivos livres de semicondutores que pudessem se comportar como transistores baseados em silício.

Este projeto surgiu de outro no qual eles estavam fabricando bobinas magnéticas usando impressão por extrusão, um processo onde a impressora derrete filamento e expele material através de um bico, fabricando um objeto camada por camada. Eles observaram um fenômeno interessante no material que estavam usando, um filamento de polímero dopado com nanopartículas de cobre. Se passassem uma grande quantidade de corrente elétrica no material, ele exibiria um enorme pico de resistência, mas retornaria ao seu nível original logo após o fluxo de corrente parar.

Esta propriedade permite que engenheiros fabriquem transistores que podem operar como interruptores, algo tipicamente associado apenas ao silício e outros semicondutores. Transistores, que ligam e desligam para processar dados binários, são usados para formar portas lógicas, que realizam computação.

Os pesquisadores tentaram replicar o mesmo fenômeno com outros filamentos de impressão 3D, testando polímeros dopados com carbono, nanotubos de carbono e grafeno. No final, não encontraram outro material imprimível que pudesse funcionar como um fusível reiniciável.

Hipóteses sobre o Mecanismo

Eles hipotetizam que as partículas de cobre no material se espalham quando aquecidas pela corrente elétrica, o que causa um pico de resistência que volta ao normal quando o material esfria e as partículas de cobre se aproximam novamente. Eles também acham que a base polimérica do material muda de cristalina para amorfa quando aquecida, depois retorna a cristalina quando esfria — um fenômeno conhecido como coeficiente de temperatura positivo polimérico.

"Por enquanto, essa é nossa melhor explicação, mas não é a resposta completa porque isso não explica por que aconteceu apenas nesta combinação de materiais. Precisamos fazer mais pesquisas, mas não há dúvida de que este fenômeno é real", disse ele.

Aplicações e Perspectivas Futuras

A equipe aproveitou o fenômeno para imprimir interruptores em uma única etapa que poderiam ser usados para formar portas lógicas livres de semicondutores. Os dispositivos são feitos de traços finos de polímero dopado com cobre impressos em 3D. Eles contêm regiões condutoras intersecantes que permitem aos pesquisadores regular a resistência controlando a tensão alimentada no interruptor.

Embora os dispositivos não tenham tido desempenho tão bom quanto transistores baseados em silício, eles podem 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 mostraram sinais de deterioração.

Mas há limites para o quão pequenos os pesquisadores podem fazer os interruptores, baseados na física da impressão por extrusão e nas propriedades do material. Eles puderam imprimir dispositivos com algumas centenas de mícrons, mas transistores em eletrônica de ponta têm apenas alguns nanômetros de diâmetro.

"A realidade é que existem muitas situações de engenharia que não requerem os melhores chips. No final do dia, tudo o que você importa é se seu dispositivo pode fazer a tarefa. Esta tecnologia é capaz de satisfazer uma restrição como essa", disse ele.

No entanto, ao contrário da fabricação de semicondutores, sua técnica usa um material biodegradável, o processo usa menos energia e produz menos resíduos. O filamento de polímero também poderia ser dopado com outros materiais, como micropartículas magnéticas, o que poderia permitir funcionalidades adicionais.

No futuro, os pesquisadores querem usar esta tecnologia para imprimir eletrônicos totalmente funcionais. Eles 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 levar o desempenho destes dispositivos.

"Este artigo demonstra que dispositivos eletrônicos ativos podem ser feitos usando materiais condutores poliméricos extrudados. Esta tecnologia permite que eletrônicos sejam construídos 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 Stanford, que não estava envolvido neste trabalho.

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