Un equipo internacional de investigadores ha desarrollado un nuevo método de manipulación basado en la luz que algún día podría usarse para producir en masa componentes electrónicos para teléfonos inteligentes. computadoras y otros dispositivos. Una forma más barata y rápida de producir estos componentes podría hacer que sea menos costoso conectar objetos cotidianos, desde ropa hasta electrodomésticos, a Internet. avanzando el concepto conocido como Internet de las cosas. La técnica de micromanipulación también podría usarse para crear un reemplazo más seguro y de carga más rápida para las baterías de los dispositivos móviles.

Trampas ópticas, que utilizan la luz para sostener y mover pequeños objetos en líquido, son un método sin contacto prometedor para ensamblar dispositivos electrónicos y ópticos. Sin embargo, al utilizar estas trampas para aplicaciones de fabricación, el líquido debe ser eliminado, un proceso que tiende a desplazar cualquier patrón o estructura que se haya formado usando una trampa óptica.

En la revista The Optical Society (OSA) Óptica Express , investigadores del Grupo de Investigación de Micromanipulación de Steven Neale, Universidad de Glasgow, Escocia, detallan su método para utilizar un enfoque avanzado de captura óptica conocido como pinzas optoelectrónicas para ensamblar contactos eléctricos. Gracias a un innovador método de liofilización desarrollado por Shuailong Zhang, miembro del grupo de investigación de Neale, el líquido podría eliminarse sin alterar los componentes ensamblados.

"Las fuerzas formadas por estas pinzas optoelectrónicas se han comparado con Star-Trek como rayos tractores que pueden mover objetos a través de un medio sin que nada los toque, "dijo Neale." Esto evoca imágenes de líneas de montaje sin brazos robóticos. En lugar de, componentes discretos se ensamblan por sí mismos casi mágicamente a medida que son guiados por los patrones de luz ".

Los investigadores demostraron la técnica ensamblando un patrón de pequeñas perlas de soldadura con una trampa optoelectrónica. quitar el líquido, y luego calentar el patrón para fusionar las cuentas, formando conexiones eléctricas. Usaron las perlas de soldadura para demostrar que en el futuro, estas micropartículas podrían ensamblarse y fusionarse para crear conexiones eléctricas.

"Las pinzas optoelectrónicas son rentables y permiten la micromanipulación paralela de partículas, "dijo Zhang, que ahora está en la Universidad de Toronto en Canadá. "En principio, podemos movernos 10, 000 cuentas al mismo tiempo. La combinación de esto con nuestro enfoque de liofilización crea una plataforma muy económica que es adecuada para su uso en la producción en masa ".

Fabricación de productos electrónicos mejorada

La nueva técnica podría ofrecer una forma alternativa de fabricar las placas de circuito que conectan los componentes que se encuentran en la mayoría de la electrónica actual. Este tipo de dispositivos se fabrican actualmente con máquinas automatizadas que recogen piezas pequeñas, colóquelos en la placa de circuito y suéldelos en su lugar. Este proceso requiere una costosa etapa motorizada para colocar la placa y un costoso brazo robótico de alta precisión para recoger y colocar las piezas diminutas en el dispositivo. El costo de estos sistemas de micromanipulación continúa aumentando a medida que el tamaño cada vez menor de la electrónica aumenta los requisitos de precisión.

"Las pinzas optoelectrónicas y la técnica de liofilización se pueden utilizar no solo para ensamblar perlas de soldadura, sino también para ensamblar una amplia gama de objetos como nanocables semiconductores, nanotubos de carbon, microláseres y microLED, ", dijo Zhang." Con el tiempo, queremos utilizar esta herramienta para ensamblar componentes electrónicos como condensadores y resistencias, así como dispositivos fotónicos, como láseres y LED, juntos en un dispositivo o sistema ".

Atrapar partículas con manipulación optoelectrónica

Los investigadores utilizaron pinzas optoelectrónicas porque este enfoque de manipulación óptica puede formar miles de trampas a la vez. ofreciendo el potencial del montaje masivamente paralelo. Las pinzas se forman utilizando una capa de silicio que cambia su conductividad eléctrica cuando se expone a la luz. En las zonas expuestas a puntos de luz, se forma un campo eléctrico no uniforme que interactúa con partículas o perlas en una capa líquida sobre el silicio, permitiendo que las partículas se muevan con precisión moviendo el punto de luz. La creación de patrones de puntos de luz permite mover múltiples partículas simultáneamente.

"Utilizando nuestro método, podemos mover perlas de soldadura que miden desde el rango de nanómetros hasta aproximadamente 150 micrones, ", dijo Zhang." Hemos podido mover objetos de más de 150 micrones, pero es más desafiante porque a medida que aumenta el tamaño del objeto, la fuerza de fricción también aumenta ".

Después de usar las pinzas optoelectrónicas para ensamblar un patrón de 40 micrones de diámetro, perlas de soldadura disponibles comercialmente, los investigadores congelaron el líquido en el dispositivo de pinza optoelectrónica y luego redujeron la presión circundante para permitir que el líquido congelado pasara de sólido directamente a gas. Este enfoque de liofilización permitió que las perlas de soldadura ensambladas permanecieran fijas en su lugar después de que se eliminó el líquido. Los investigadores dicen que se puede utilizar para eliminar el líquido utilizado con cualquier tipo de trampa óptica. o incluso trampas formadas con ondas acústicas.

Además de ensamblar los cordones de soldadura en diferentes líneas, los investigadores también demostraron el ensamblaje paralelo de varias cuentas y utilizaron las cuentas para formar conexiones eléctricas. Las perlas de soldadura exhiben una fuerte fuerza dieléctrica, lo que significa que se pueden mover con precisión y rapidez, permitiendo un montaje de estructuras muy eficiente.

Los investigadores ahora están trabajando para convertir su sistema de laboratorio en uno que combine la pinza optoelectrónica y el proceso de liofilización en una sola unidad. También están desarrollando una interfaz de software para controlar la generación de un patrón de luz basado en la cantidad de partículas que debían ser atrapadas.

"Ahora estamos usando una computadora para generar el patrón de luz para mover las cuentas, pero estamos trabajando en una aplicación que permitiría usar una tableta o un teléfono inteligente en su lugar, ", dijo Zhang." Esto podría permitir que alguien se siente lejos del sistema y use su dedo para controlar los movimientos de las partículas, por ejemplo."

Neale recibió recientemente fondos para continuar esta línea de investigación mediante el uso del nuevo enfoque de micromanipulación óptica para crear condensadores de alta densidad de energía para reemplazar las baterías en los dispositivos móviles.