Si abriera su teléfono inteligente, vería una serie de chips y componentes electrónicos dispuestos en una placa de circuito, como una ciudad en miniatura. Cada componente puede contener "chiplets, "algunos no 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 están repletas de componentes cada vez más pequeños, sin embargo, La capacidad de las pinzas robóticas para manipular estos objetos se está acercando a un límite.

"La fabricación de productos electrónicos requiere manipular y ensamblar componentes pequeños de un tamaño similar o más pequeño que los granos de harina, "dice Sanha Kim, ex investigador y postdoctorado del MIT que trabajó en el laboratorio del profesor asociado de ingeniería mecánica John Hart. "Por lo tanto, se necesita una solución especial de pick-and-place, en lugar de simplemente miniaturizar las pinzas robóticas y los sistemas de vacío [existentes] ".

Ahora Kim, Ciervo, y otros han desarrollado un sello "electroadhesivo" en miniatura que puede levantar y colocar objetos tan pequeños como 20 nanómetros de ancho, aproximadamente 1, 000 veces más fino que un cabello humano. El sello está hecho de un bosque disperso de nanotubos de carbono recubiertos de cerámica dispuestos como cerdas en un pincel diminuto.

Cuando se aplica un pequeño voltaje al sello, los nanotubos de carbono se cargan temporalmente, formando espinas de atracción eléctrica que pueden atraer una partícula diminuta. Al apagar el voltaje, la "pegajosidad" del sello desaparece, lo que le permite liberar el objeto en la ubicación deseada.

Hart dice que la técnica de estampado se puede escalar a un entorno de fabricación para imprimir características a micro y nanoescala, por ejemplo, para empaquetar más elementos en chips de computadora cada vez más pequeños. La técnica también se puede utilizar para modelar otros pequeños, características intrincadas, como células para tejidos artificiales. Y, el equipo prevé la macroescala, superficies electroadhesivas bioinspiradas, como almohadillas activadas por voltaje para agarrar objetos cotidianos y para robots trepadores con forma de geco.

"Simplemente controlando el voltaje, puede cambiar la superficie de tener una adherencia nula a tirar de algo con tanta fuerza, por unidad de área, que puede actuar como el pie de un gecko, "Dice Hart.

El equipo ha publicado hoy sus resultados en la revista Avances de la ciencia .

Como cinta adhesiva seca

Las pinzas mecánicas existentes no pueden levantar objetos de menos de 50 a 100 micrones, principalmente porque a escalas más pequeñas las fuerzas superficiales tienden a vencer a la gravedad. Puede ver esto al verter harina con una cuchara, inevitablemente, algunas partículas diminutas se adhieren a la superficie de la cuchara, en lugar de dejar que la gravedad los arrastre.

"El dominio de las fuerzas de la superficie sobre las fuerzas de la gravedad se convierte en un problema cuando se trata de colocar con precisión cosas más pequeñas, que es el proceso fundamental mediante el cual la electrónica se ensambla en sistemas integrados, "Dice Hart.

Él y sus colegas notaron que la electroadhesión, el proceso de adherir materiales a través de un voltaje aplicado, se ha utilizado en algunos entornos industriales para recoger y colocar objetos grandes, como telas, textiles, y obleas de silicio enteras. Pero esta misma electroadhesión nunca se había aplicado a objetos a nivel microscópico, porque se necesitaba un nuevo diseño de material para controlar la electroadhesión a escalas más pequeñas.

El grupo de Hart ha trabajado anteriormente con nanotubos de carbono (CNT), átomos de carbono unidos en un patrón de celosía y enrollados en tubos microscópicos. Los CNT son conocidos por su excepcional mecánica, eléctrico, y propiedades químicas, y han sido ampliamente estudiados como adhesivos secos.

"El trabajo anterior sobre adhesivos secos a base de CNT se centró en maximizar el área de contacto de los nanotubos para crear esencialmente una cinta Scotch seca, "Hart dice." Tomamos el enfoque opuesto, y dijo, 'diseñemos una superficie de nanotubos para minimizar el área de contacto, pero use la electrostática para activar la adhesión cuando la necesitemos '".

Un interruptor de encendido / apagado pegajoso

El equipo descubrió que si recubrían los CNT con un material dieléctrico delgado como el óxido de aluminio, cuando aplicaron un voltaje a los nanotubos, la capa de cerámica se polarizó, lo que significa que sus cargas positivas y negativas se separaron temporalmente. Por ejemplo, las cargas positivas de las puntas de los nanotubos indujeron una polarización opuesta en cualquier material conductor cercano, como un elemento electrónico microscópico.

Como resultado, el sello a base de nanotubos adherido al elemento, recogiéndolo como pequeño, dedos electrostáticos. Cuando los investigadores apagaron el voltaje, los nanotubos y el elemento despolarizado, y la "pegajosidad" desapareció, permitiendo que el sello se desprenda y coloque el objeto en una superficie determinada.

El equipo exploró varias formulaciones de diseños de sellos, alterar la densidad de los nanotubos de carbono que crecen en el sello, así como el grosor de la capa cerámica que usaron para recubrir cada nanotubo. Descubrieron que cuanto más delgada era la capa de cerámica y más espaciados estaban los nanotubos de carbono, cuanto mayor sea la relación de encendido / apagado del sello, lo que significa que cuanto mayor era la pegajosidad del sello cuando el voltaje estaba encendido, versus cuando estaba apagado.

En sus experimentos, el equipo utilizó el sello para recoger y colocar películas de nanocables, cada uno alrededor de 1, 000 veces más delgado que un cabello humano. También utilizaron la técnica para seleccionar y colocar patrones intrincados de micropartículas de polímero y metal, así como micro-LED.

Hart dice que la tecnología de impresión electroadhesiva podría ampliarse para fabricar placas de circuito y sistemas de chips electrónicos en miniatura. así como pantallas con píxeles LED a microescala.

"Con las capacidades en constante avance de los dispositivos semiconductores, una necesidad y una oportunidad importantes es integrar componentes más pequeños y diversos, como microprocesadores, sensores, y dispositivos ópticos, "Hart dice". A menudo, estos se hacen necesariamente por separado, pero deben integrarse juntos para crear sistemas electrónicos de próxima generación. Nuestra tecnología posiblemente colma la brecha necesaria para escalabilidad, montaje rentable de estos sistemas ".