Pequeños robots no más grandes que una célula podrían producirse en masa utilizando un nuevo método desarrollado por investigadores del MIT. Los dispositivos microscópicos, que el equipo llama "sincronizaciones" (abreviatura de células sintéticas), eventualmente podría usarse para monitorear las condiciones dentro de un oleoducto o gasoducto, o para buscar enfermedades mientras flotan por el torrente sanguíneo.

La clave para fabricar dispositivos tan diminutos en grandes cantidades radica en un método que el equipo desarrolló para controlar el proceso de fracturación natural de atómicamente delgados, materiales quebradizos, dirigiendo las líneas de fractura para que produzcan bolsas minúsculas de un tamaño y forma predecibles. Incrustados dentro de estos bolsillos hay circuitos electrónicos y materiales que pueden acumularse, registro, y datos de salida.

El proceso novedoso, llamado "autoperforación, "se describe en un artículo publicado hoy en la revista Materiales de la naturaleza , por el profesor del MIT Michael Strano, postdoctorado Pingwei Liu, estudiante de posgrado Albert Liu, y otros ocho en MIT.

El sistema utiliza una forma bidimensional de carbono llamada grafeno, que forma la estructura exterior de las diminutas sincronizaciones. Una capa del material se coloca sobre una superficie, luego pequeños puntos de un material polimérico, que contiene la electrónica de los dispositivos, son depositados por una sofisticada versión de laboratorio de una impresora de inyección de tinta. Luego, se coloca una segunda capa de grafeno encima.

Fractura controlada

La gente piensa en el grafeno un material ultrafino pero extremadamente resistente, como "flojo, "pero en realidad es frágil, Strano explica. Pero en lugar de considerar que la fragilidad es un problema, el equipo se dio cuenta de que podía utilizarlo en su beneficio.

"Descubrimos que se puede aprovechar la fragilidad, "dice Strano, quien es el profesor Carbon P. Dubbs de Ingeniería Química en el MIT. "Es contradictorio. Antes de este trabajo, si me dijeras que puedes fracturar un material para controlar su forma a nanoescala, Hubiera sido incrédulo ".

Pero el nuevo sistema hace precisamente eso. Controla el proceso de fracturamiento para que, en lugar de generar fragmentos aleatorios de material, como los restos de una ventana rota, produce piezas de forma y tamaño uniformes. "Lo que descubrimos es que se puede imponer un campo de deformación para hacer que la fractura sea guiada, y puede usar eso para la fabricación controlada, "Dice Strano.

Cuando la capa superior de grafeno se coloca sobre la matriz de puntos de polímero, que forman pilares redondos, los lugares donde el grafeno cubre los bordes redondos de los pilares forman líneas de alta tensión en el material. Como lo describe Albert Liu, "imagina un mantel que cae lentamente sobre la superficie de una mesa circular. Uno puede visualizar muy fácilmente la tensión circular en desarrollo hacia los bordes de la mesa, y eso es muy análogo a lo que sucede cuando una hoja plana de grafeno se dobla alrededor de estos pilares de polímero impresos ".

Como resultado, las fracturas se concentran a lo largo de esos límites, Dice Strano. "Y luego sucede algo bastante sorprendente:el grafeno se fracturará por completo, pero la fractura se guiará alrededor de la periferia del pilar ". El resultado es un pieza redonda de grafeno que parece haber sido recortada limpiamente con un perforador microscópico.

Porque hay dos capas de grafeno, por encima y por debajo de los pilares de polímero, los dos discos resultantes se adhieren a sus bordes para formar algo así como un pequeño bolsillo de pan de pita, con el polímero sellado en el interior. "Y la ventaja aquí es que se trata esencialmente de un solo paso, "en contraste con muchos pasos complejos de sala limpia que necesitan otros procesos para intentar fabricar dispositivos robóticos microscópicos, Dice Strano.

Los investigadores también han demostrado que otros materiales bidimensionales además del grafeno, tales como disulfuro de molibdeno y boronitruro hexagonal, funciona igual de bien.

Robots parecidos a células

Varía en tamaño desde el de un glóbulo rojo humano, unos 10 micrómetros de ancho, hasta aproximadamente 10 veces ese tamaño, estos pequeños objetos "comienzan a verse y comportarse como una célula biológica viva. De hecho, bajo un microscopio, probablemente podrías convencer a la mayoría de la gente de que es una celda, "Dice Strano.

Este trabajo sigue una investigación anterior de Strano y sus estudiantes sobre el desarrollo de sincronizaciones que podrían recopilar información sobre la química u otras propiedades de su entorno utilizando sensores en su superficie. y almacenar la información para su posterior recuperación, por ejemplo, inyectar un enjambre de tales partículas en un extremo de una tubería y recuperarlas en el otro para obtener datos sobre las condiciones en su interior. Si bien las nuevas sincronizaciones aún no tienen tantas capacidades como las anteriores, esos fueron ensamblados individualmente, mientras que este trabajo demuestra una forma de producir fácilmente estos dispositivos en masa.

Aparte de los usos potenciales de las sincronizaciones para la monitorización industrial o biomédica, la forma en que se fabrican los dispositivos diminutos es en sí misma una innovación con un gran potencial, según Albert Liu. "Este procedimiento general de utilizar fracturas controladas como método de producción puede extenderse a muchas escalas de longitud, ", dice." [Podría usarse potencialmente con] prácticamente cualquier material 2-D de su elección, en principio, permitiría a los futuros investigadores adaptar estas superficies atómicamente delgadas en cualquier forma o forma deseada para aplicaciones en otras disciplinas ".

Este es, Albert Liu dice:"una de las únicas formas disponibles en este momento para producir microelectrónica integrada independiente a gran escala" que puede funcionar como independiente, dispositivos de flotación libre. Dependiendo de la naturaleza de la electrónica en el interior, los dispositivos podrían estar provistos de capacidades de movimiento, detección de varios productos químicos u otros parámetros, y almacenamiento de memoria.

Existe una amplia gama de posibles nuevas aplicaciones para estos dispositivos robóticos del tamaño de una celda, dice Strano, quien detalla muchos de estos posibles usos en un libro del que fue coautor con Shawn Walsh, un experto en los Laboratorios de Investigación del Ejército, sobre el tema, denominado "Sistemas robóticos y plataformas autónomas, "que está siendo publicado este mes por Elsevier Press.

Como demostración, el equipo "escribió" las letras M, I, y T en una matriz de memoria dentro de una sincronización, que almacena la información como niveles variables de conductividad eléctrica. Esta información se puede "leer" con una sonda eléctrica, mostrando que el material puede funcionar como una forma de memoria electrónica en la que se pueden escribir datos, leer, y borrado a voluntad. También puede retener los datos sin necesidad de energía, permitiendo que la información se recopile en un momento posterior. Los investigadores han demostrado que las partículas son estables durante un período de meses incluso cuando flotan en el agua. que es un solvente fuerte para la electrónica, según Strano.

"Creo que abre un conjunto de herramientas completamente nuevo para la micro y nanofabricación, " él dice.