La tecnologia all'avanguardia di domani avrà bisogno di un'elettronica in grado di tollerare condizioni estreme. Ecco perché un gruppo di ricercatori guidati da Jason Nicholas della Michigan State University sta costruendo circuiti più forti oggi.

Nicholas e il suo team hanno sviluppato circuiti in argento più resistenti al calore con l'aiuto del nichel. Il team ha descritto il lavoro il 15 aprile sulla rivista Scripta Materialia .

I tipi di dispositivi per i quali il team MSU sta lavorando:celle a combustibile di nuova generazione, semiconduttori ad alta temperatura e celle di elettrolisi ad ossido solido, potrebbero avere applicazioni nel settore automobilistico, industrie energetiche e aerospaziali.

Anche se ora non puoi acquistare questi dispositivi dallo scaffale, i ricercatori li stanno attualmente costruendo in laboratorio per testarli nel mondo reale, e anche su altri pianeti.

Per esempio, La NASA ha sviluppato una cella di elettrolisi ad ossido solido che ha permesso al Mars 2020 Perseverance Rover di produrre ossigeno dal gas nell'atmosfera marziana il 22 aprile. La NASA spera che questo prototipo un giorno porterà a un'attrezzatura che consentirà agli astronauti di creare carburante per missili e aria respirabile mentre si trova su Marte .

Per aiutare tali prototipi a diventare prodotti commerciali, anche se, dovranno mantenere le loro prestazioni a temperature elevate per lunghi periodi di tempo, disse Nicola, professore associato presso la Facoltà di Ingegneria.

È stato attratto da questo campo dopo anni di utilizzo di celle a combustibile ad ossido solido, che funzionano come celle di elettrolisi ad ossido solido al contrario. Invece di utilizzare l'energia per creare gas o carburante, creano energia da quelle sostanze chimiche.

"Le celle a combustibile ad ossido solido funzionano con gas ad alta temperatura. Siamo in grado di reagire elettrochimicamente quei gas per ottenere elettricità e questo processo è molto più efficiente dell'esplosione del carburante come fa un motore a combustione interna, "disse Nicola, che guida un laboratorio nel Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali.

Ma anche senza esplosioni, la cella a combustibile deve resistere a condizioni di lavoro intense.

"Questi dispositivi funzionano comunemente intorno ai 700-800 gradi Celsius, e devono farlo per molto tempo—40, 000 ore nel corso della loro vita, " disse Nicholas. Per fare un confronto, è circa 1, 300 a 1, 400 gradi Fahrenheit, o circa il doppio della temperatura di un forno per pizza commerciale.

"E durante quella vita, lo stai ciclizzando termicamente, " Nicholas ha detto. "Lo stai raffreddando e riscaldandolo di nuovo. È un ambiente molto estremo. Puoi far saltare i cavi del circuito."

Così, uno degli ostacoli che questa tecnologia avanzata deve affrontare è piuttosto rudimentale:il circuito conduttivo, spesso d'argento, deve aderire meglio ai componenti ceramici sottostanti.

Il segreto per migliorare l'adesione, i ricercatori hanno scoperto, era quello di aggiungere uno strato intermedio di nichel poroso tra l'argento e la ceramica.

Eseguendo esperimenti e simulazioni al computer di come interagiscono i materiali, il team ha ottimizzato il modo in cui ha depositato il nichel sulla ceramica. E per creare il sottile, strati porosi di nichel sulla ceramica secondo un motivo o un disegno a loro scelta, i ricercatori si sono rivolti alla serigrafia.

"È la stessa serigrafia usata per fare le magliette, " Nicholas ha detto. "Siamo solo elettronica serigrafica invece di camicie. È una tecnica molto favorevole alla produzione."

Una volta che il nichel è a posto, il team lo mette a contatto con l'argento fuso ad una temperatura di circa 1, 000 gradi Celsius. Il nichel non solo resiste al calore:il suo punto di fusione è 1, 455 gradi Celsius, ma distribuisce uniformemente l'argento liquefatto sulle sue caratteristiche sottili usando quella che viene chiamata azione capillare.

"È quasi come un albero, " Nicholas ha detto. "Un albero ottiene l'acqua fino ai suoi rami tramite azione capillare. Il nichel assorbe l'argento fuso attraverso lo stesso meccanismo."

Una volta che l'argento si raffredda e si solidifica, il nichel lo tiene bloccato sulla ceramica, anche nel calore da 700 a 800 gradi Celsius si troverebbe di fronte all'interno di una cella a combustibile a ossido solido o di una cella di elettrolisi a ossido solido. E questo approccio ha anche il potenziale per aiutare altre tecnologie, dove l'elettronica può surriscaldarsi.

"Esiste un'ampia varietà di applicazioni elettroniche che richiedono circuiti stampati in grado di resistere a temperature elevate o ad alta potenza, "ha detto Jon Debling, un responsabile della tecnologia con MSU Technologies, Ufficio per il trasferimento tecnologico e la commercializzazione dello stato del Michigan. "Questi includono applicazioni esistenti nel settore automobilistico, aerospaziale, mercati industriali e militari, ma anche quelli più recenti come le celle solari e le celle a combustibile ad ossido solido".

In qualità di responsabile della tecnologia, Debling lavora per commercializzare le innovazioni Spartan e sta lavorando per aiutare a brevettare questo processo per la creazione di componenti elettronici più resistenti.

"Questa tecnologia rappresenta un miglioramento significativo, in termini di stabilità dei costi e della temperatura, rispetto alle tecnologie esistenti di deposizione di pasta e vapore, " Egli ha detto.

Da parte sua, Nicholas rimane molto interessato a quelle applicazioni all'avanguardia all'orizzonte, cose come celle a combustibile ad ossido solido e celle di elettrolisi ad ossido solido.

"Stiamo lavorando per migliorare la loro affidabilità qui sulla Terra e su Marte, " ha detto Nicola.