La tecnología de vanguardia del mañana necesitará dispositivos electrónicos que puedan tolerar condiciones extremas. Es por eso que un grupo de investigadores dirigido por Jason Nicholas de la Universidad Estatal de Michigan está construyendo circuitos más fuertes en la actualidad.

Nicholas y su equipo han desarrollado circuitos de plata más resistentes al calor con la ayuda del níquel. El equipo describió el trabajo el 15 de abril en la revista. Scripta Materialia .

Los tipos de dispositivos para los que el equipo de MSU está trabajando para beneficiar:celdas de combustible de próxima generación, semiconductores de alta temperatura y celdas de electrólisis de óxido sólido:podrían tener aplicaciones en el automóvil, industrias energética y aeroespacial.

Aunque ahora no puede comprar estos dispositivos, Los investigadores los están construyendo actualmente en laboratorios para probarlos en el mundo real, e incluso en otros planetas.

Por ejemplo, La NASA desarrolló una celda de electrólisis de óxido sólido que permitió al Mars 2020 Perseverance Rover producir oxígeno a partir del gas en la atmósfera marciana el 22 de abril. La NASA espera que este prototipo conduzca algún día a un equipo que permita a los astronautas crear combustible para cohetes y aire respirable mientras están en Marte .

Para ayudar a que esos prototipos se conviertan en productos comerciales, aunque, necesitarán mantener su rendimiento a altas temperaturas durante largos períodos de tiempo, dijo Nicholas, profesor asociado en la Facultad de Ingeniería.

Se sintió atraído por este campo después de años de utilizar pilas de combustible de óxido sólido, que funcionan como celdas de electrólisis de óxido sólido a la inversa. En lugar de utilizar energía para crear gases o combustible, crean energía a partir de esos productos químicos.

"Las celdas de combustible de óxido sólido funcionan con gases a alta temperatura. Podemos reaccionar electroquímicamente esos gases para obtener electricidad y ese proceso es mucho más eficiente que la explosión de combustible como lo hace un motor de combustión interna. "dijo Nicholas, quien dirige un laboratorio en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales.

Pero incluso sin explosiones la pila de combustible debe soportar condiciones de trabajo intensas.

"Estos dispositivos suelen funcionar entre 700 y 800 grados Celsius, y tienen que hacerlo durante mucho tiempo:40, 000 horas a lo largo de su vida, "Dijo Nicholas. A modo de comparación, eso es aproximadamente 1, 300 a 1, 400 grados Fahrenheit, o aproximadamente el doble de la temperatura de un horno de pizza comercial.

"Y durante esa vida, lo estás ciclando térmicamente, "Dijo Nicholas." Lo estás enfriando y calentando de nuevo. Es un entorno muy extremo. Puede hacer que salten los cables del circuito ".

Por lo tanto, Uno de los obstáculos a los que se enfrenta esta tecnología avanzada es bastante rudimentario:los circuitos conductores, a menudo hecho de plata, necesita adherirse mejor a los componentes cerámicos subyacentes.

El secreto para mejorar la adherencia, los investigadores encontraron, consistía en añadir una capa intermedia de níquel poroso entre la plata y la cerámica.

Al realizar experimentos y simulaciones por computadora de cómo interactúan los materiales, el equipo optimizó la forma en que depositó el níquel sobre la cerámica. Y para crear lo delgado capas de níquel poroso sobre la cerámica en un patrón o diseño de su elección, los investigadores recurrieron a la serigrafía.

"Es la misma serigrafía que se usa para hacer camisetas, "Dijo Nicholas." Solo estamos imprimiendo electrónica en serigrafía en lugar de camisetas. Es una técnica muy amigable con la fabricación ".

Una vez que el níquel esté en su lugar, el equipo lo pone en contacto con plata que se derrite a una temperatura de aproximadamente 1, 000 grados centígrados. El níquel no solo resiste ese calor, su punto de fusión es 1, 455 grados Celsius, pero también distribuye la plata licuada uniformemente sobre sus finas características mediante lo que se llama acción capilar.

"Es casi como un árbol, "Dijo Nicholas." Un árbol hace que el agua llegue a sus ramas a través de la acción capilar. El níquel absorbe la plata fundida a través del mismo mecanismo ".

Una vez que la plata se enfría y solidifica, el níquel lo mantiene bloqueado en la cerámica, incluso en el calor de 700 a 800 grados Celsius se enfrentaría dentro de una celda de combustible de óxido sólido o una celda de electrólisis de óxido sólido. Y este enfoque también tiene el potencial de ayudar a otras tecnologías, donde la electrónica puede calentarse.

"Existe una amplia variedad de aplicaciones electrónicas que requieren placas de circuito que puedan soportar altas temperaturas o alta potencia, "dijo Jon Debling, un gerente de tecnología con MSU Technologies, Oficina de comercialización y transferencia de tecnología del estado de Michigan. "Estas incluyen aplicaciones existentes en automoción, aeroespacial, mercados industriales y militares, pero también las más nuevas, como las células solares y las células de combustible de óxido sólido ".

Como gerente de tecnología, Debling trabaja para comercializar las innovaciones de Spartan y está trabajando para ayudar a patentar este proceso para crear dispositivos electrónicos más resistentes.

"Esta tecnología es una mejora significativa, en el costo y la estabilidad de la temperatura, sobre las tecnologías existentes de deposición de pasta y vapor, " él dijo.

Por su parte, Nicholas sigue estando más interesado en esas aplicaciones de vanguardia en el horizonte, cosas como celdas de combustible de óxido sólido y celdas de electrólisis de óxido sólido.

"Estamos trabajando para mejorar su confiabilidad aquí en la Tierra y en Marte, "Dijo Nicholas.