El grupo de Luis Fernando Velásquez-García en los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (MTL) del MIT desarrolla conjuntos densos de conos microscópicos que aprovechan las fuerzas electrostáticas para expulsar corrientes de iones.

La tecnología tiene una gama de aplicaciones prometedoras:depositar o grabar características en dispositivos mecánicos a nanoescala; hilado de nanofibras para su uso en filtros de agua, armadura, y textiles "inteligentes"; o sistemas de propulsión para "nanosatélites" del tamaño de un puño.

En el último número del IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, Velásquez-García, sus estudiantes graduados Eric Heubel y Philip Ponce de Leon, y Frances Hill, un postdoctorado en su grupo, describen un nuevo prototipo de matriz que genera 10 veces la corriente de iones por emisor que las matrices anteriores.

La corriente de iones es una medida de la carga transportada por los iones en movimiento, lo que se traduce directamente en la velocidad a la que se pueden expulsar las partículas. Por lo tanto, las corrientes más altas prometen una fabricación más eficiente y satélites más ágiles.

El mismo prototipo también incluye 1, 900 emisores en un chip de solo un centímetro cuadrado, cuadruplicando el tamaño de la matriz y la densidad del emisor incluso de los mejores de sus predecesores.

"Este es un campo que se beneficia de la miniaturización de los componentes, porque reducir los emisores implica un menor consumo de energía, menos voltaje de polarización para operarlos, y mayor rendimiento, "dice Velásquez-García, científico investigador principal de MTL. "El tema que hemos estado abordando es cómo podemos hacer que estos dispositivos funcionen lo más cerca posible del límite teórico y cómo podemos aumentar en gran medida el rendimiento en virtud de la multiplexación, con dispositivos masivamente paralelos que operan de manera uniforme ".

Cuando Velásquez-García habla de un "límite teórico, "él está hablando del punto en el que las gotas (grupos de moléculas) en lugar de iones (moléculas individuales) comienzan a salir de los emisores. Entre otros problemas, las gotas son más pesadas, por lo que su velocidad de expulsión es menor, lo que los hace menos útiles para el grabado o la propulsión de satélites.

Los iones expulsados ​​por el prototipo de Velásquez-García se producen a partir de una sal iónica líquida a temperatura ambiente. La tensión superficial absorbe el fluido por el lado de los emisores hasta la punta del cono, cuya estrechez concentra el campo electrostático. En la punta, el líquido está ionizado y, idealmente, expulsado una molécula a la vez.

Ralentizar el flujo

Cuando la corriente de iones en un emisor es lo suficientemente alta, La formación de gotas es inevitable. Pero las matrices de emisores anteriores, las construidas tanto por el grupo de Velásquez-García como por otros, se quedaron muy por debajo de ese umbral.

Aumentar la corriente de iones de una matriz es una cuestión de regular el flujo de la sal iónica hacia los lados de los emisores. Para hacer eso, los investigadores del MIT habían utilizado anteriormente silicio negro, una forma de silicio que crece en forma de cerdas muy compactas. Pero en el nuevo trabajo, en su lugar, utilizaron nanotubos de carbono, láminas de carbono del grosor de un átomo enrolladas en cilindros, que crecían en las laderas de los emisores como árboles en la ladera de una montaña.

Al adaptar cuidadosamente la densidad y la altura de los nanotubos, los investigadores pudieron lograr un flujo de fluido que permitió una corriente iónica operativa muy cerca del límite teórico.

"También mostramos que funcionan de manera uniforme, que cada emisor está haciendo exactamente lo mismo, "Dice Velásquez-García. Eso es crucial para las aplicaciones de nanofabricación, en el que la profundidad de un grabado, o la altura de los depósitos, debe ser coherente en todo un chip.

Para controlar el crecimiento de los nanotubos, los investigadores primero cubren la matriz de emisores con una película de catalizador ultrafina, que se rompe en partículas por reacciones químicas tanto con el sustrato como con el medio ambiente. Luego exponen la matriz a un plasma rico en carbono. Los nanotubos crecen debajo de las partículas de catalizador, que se sientan encima de ellos, hasta que el catalizador se degrade.

Aumentar la densidad del emisor, la otra mejora informada en el nuevo documento, fue una cuestión de optimizar la receta de fabricación existente, "Dice Velásquez-García. Los emisores, como la mayoría de los dispositivos de silicio a nanoescala, fueron producidos mediante fotolitografía, un proceso en el que los patrones se transfieren ópticamente a capas de materiales depositados sobre obleas de silicio; un plasma luego graba el material de acuerdo con el patrón. "La receta son los gases, poder, nivel de presión, tiempo, y la secuencia del grabado, ", Dice Velásquez-García." Comenzamos a hacer arreglos de electrospray hace 15 años, y la fabricación de diferentes generaciones de dispositivos nos brindó los conocimientos necesarios para mejorarlos ".

Nanoimpresión

Velásquez-García cree que el uso de matrices de emisores para producir nanodispositivos podría tener varias ventajas sobre la fotolitografía, la técnica que produce las matrices en sí. Debido a que pueden funcionar a temperatura ambiente y no requieren una cámara de vacío, las matrices podrían depositar materiales que no pueden soportar las condiciones extremas de muchos procesos de micro y nanofabricación. Y podrían eliminar el lento proceso de depositar nuevas capas de material, exponerlos a patrones ópticos, grabarlos, y luego empezar de nuevo.

"En mi opinión, los mejores nanosistemas se realizarán mediante impresión 3D porque evitaría los problemas de la microfabricación estándar, ", Dice Velásquez-García." Utiliza equipos prohibitivamente costosos, que requiere un alto nivel de formación para operar, y todo se define en planos. En muchas aplicaciones, desea la tridimensionalidad:la impresión 3D marcará una gran diferencia en los tipos de sistemas que podemos armar y la optimización que podemos hacer ".

"Normalmente, el interés de este tipo de emisor es poder emitir un haz de iones y no un haz de gotitas, "dice Herbert Shea, profesor asociado en el Laboratorio de Microsistemas para Tecnologías Espaciales de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne. "Usando su bosque de nanotubos, son capaces de hacer que los dispositivos funcionen en modo de iones puros, pero tienen una corriente alta normalmente asociada con el modo de gota ".

Shea cree que al menos a corto plazo, La aplicación más prometedora de la tecnología es la propulsión de naves espaciales. "Se necesitaría mucho esfuerzo para convertirlo en una práctica herramienta de micromecanizado, Considerando que se necesitaría muy poco esfuerzo para utilizarlo como propulsión para pequeñas naves espaciales, ", dice." La razón por la que le gustaría estar en modo iónico es para tener la conversión más eficiente de la masa del propulsor en el impulso de la nave espacial ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.