Investigadores de la Universidad de Duke y la Universidad Estatal de Carolina del Norte han demostrado las primeras micropartículas semiconductoras personalizadas que se pueden dirigir en varias configuraciones repetidamente mientras están suspendidas en el agua.

Con seis partículas personalizadas iniciales que interactúan de manera predecible entre sí en presencia de campos eléctricos de corriente alterna (CA) de frecuencias variables, el estudio presenta los primeros pasos hacia la realización de aplicaciones avanzadas como músculos artificiales y sistemas informáticos reconfigurables.

El estudio aparece en línea el 3 de mayo en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

"Hemos diseñado y codificado múltiples respuestas dinámicas en diferentes micropartículas para crear una caja de herramientas de silicio reconfigurable, "dijo Ugonna Ohiri, un estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica recientemente graduado de Duke y primer autor del artículo. "Al proporcionar un medio para ensamblar y desensamblar de manera controlable estas partículas, estamos trayendo una nueva herramienta al campo de la materia activa ".

Si bien los investigadores anteriores han trabajado para definir sistemas de autoensamblaje, pocos han trabajado con partículas semiconductoras, y ninguno ha explorado la amplia gama de formas personalizadas, Tamaños y recubrimientos disponibles para la industria de la micro y nanofabricación. La ingeniería de partículas de silicio presenta la oportunidad de realizar físicamente dispositivos electrónicos que pueden autoensamblarse y desmontarse a pedido. La personalización de sus formas y tamaños presenta oportunidades para explorar un amplio espacio de diseño de nuevos comportamientos móviles.

"La mayor parte del trabajo anterior realizado con partículas autoensamblables se ha realizado con formas como esferas y otros materiales disponibles en el mercado, "dijo Nan Jokerst, el Profesor J. A. Jones de Ingeniería Eléctrica e Informática en Duke. "Ahora que podemos personalizar cualquier forma arbitraria, características eléctricas y recubrimientos estampados que queremos con silicio, se está abriendo un mundo completamente nuevo ".

En el estudio, Jokerst y Ohiri fabricaron partículas de silicio de varias formas, Tamaños y propiedades eléctricas. En colaboración con Orlin Velev, el Profesor INVISTA de Ingeniería Química y Biomolecular en NC State, caracterizaron cómo estas partículas respondían a diferentes magnitudes y frecuencias de campos eléctricos mientras estaban sumergidas en agua.

Con base en estas observaciones, Luego, los investigadores fabricaron nuevos lotes de partículas personalizadas que probablemente mostraran los comportamientos que estaban buscando. dando como resultado seis composiciones diferentes de micropartículas de silicio diseñadas que podrían moverse a través del agua, sincronizar sus movimientos, y montar y desmontar reversiblemente bajo demanda.

Las partículas de película delgada son rectángulos de 10 micrones por 20 micrones que tienen un grosor de 3,5 micrones. Están fabricados con tecnología Silicon-on-Insulator (SOI). Dado que pueden fabricarse utilizando la misma tecnología de fabricación que produce los circuitos integrados, se podrían producir millones de partículas idénticas a la vez.

"La idea es que eventualmente seremos capaces de hacer sistemas computacionales de silicio que ensamblen, desmontar y luego volver a montar en un formato diferente, "dijo Jokerst." Eso es un largo camino en el futuro, pero este trabajo proporciona una idea de las capacidades que existen y es la primera demostración de cómo podríamos lograr ese tipo de dispositivos ".

Es decir, sin embargo, sólo la punta del proverbial iceberg. Algunas de las partículas se fabricaron con regiones tanto de tipo p como de tipo n para crear uniones p-n, componentes eléctricos comunes que permiten que la electricidad pase en una sola dirección. También se colocaron pequeños patrones de metal en las superficies de las partículas para crear diodos de unión p-n con contactos. En el futuro, los investigadores podrían incluso diseñar partículas con patrones utilizando otros materiales eléctricamente conductores o aislantes, circuitos integrados complejos, o microprocesadores sobre o dentro del silicio.

"Este trabajo es solo una pequeña instantánea de las herramientas que tenemos para controlar la dinámica de partículas, "dijo Ohiri." Ni siquiera hemos arañado la superficie de todos los comportamientos que podemos diseñar, pero esperamos que este estudio multidisciplinario pueda ser pionero en estudios futuros para diseñar materiales activos artificiales ".