Se dovessi fare leva per aprire il tuo smartphone, vedresti una serie di chip e componenti elettronici disposti su un circuito, come una città in miniatura. Ogni componente potrebbe contenere "chiplet" ancora più piccoli, " alcuni non più larghi di un capello umano. Questi elementi sono spesso assemblati con pinze robotiche progettate per raccogliere i componenti e posizionarli in configurazioni precise.

Poiché i circuiti stampati sono pieni di componenti sempre più piccoli, però, La capacità delle pinze robotiche di manipolare questi oggetti sta raggiungendo un limite.

"La produzione di elettronica richiede la manipolazione e l'assemblaggio di piccoli componenti di dimensioni simili o inferiori ai chicchi di farina, "dice Sanha Kim, un ex postdoc e ricercatore del MIT che ha lavorato nel laboratorio del professore associato di ingegneria meccanica John Hart. "Quindi è necessaria una soluzione pick-and-place speciale, piuttosto che limitarsi a miniaturizzare le pinze robotiche e i sistemi per il vuoto esistenti".

Ora Kim, Hart, e altri hanno sviluppato un francobollo "elettrodidattico" in miniatura che può raccogliere e posizionare oggetti piccoli fino a 20 nanometri di larghezza, circa 1, 000 volte più sottile di un capello umano. Il francobollo è costituito da una sparsa foresta di nanotubi di carbonio rivestiti in ceramica disposti come setole su un minuscolo pennello.

Quando viene applicata una piccola tensione al timbro, i nanotubi di carbonio si caricano temporaneamente, formando spine di attrazione elettrica che possono attrarre una minuscola particella. Togliendo la tensione, la "viscosità" del francobollo va via, consentendogli di rilasciare l'oggetto in una posizione desiderata.

Hart afferma che la tecnica di stampaggio può essere scalata fino a un'impostazione di produzione per stampare caratteristiche su micro e nanoscala, per esempio per impacchettare più elementi su chip di computer sempre più piccoli. La tecnica può essere utilizzata anche per modellare altri piccoli, caratteristiche complesse, come le cellule per i tessuti artificiali. E, il team prevede macroscala, superfici elettroadesive bioispirate, come i cuscinetti attivati ​​dalla tensione per afferrare oggetti di uso quotidiano e per i robot rampicanti simili a gechi.

"Semplicemente controllando la tensione, puoi cambiare la superficie dall'avere praticamente zero adesione al tirare qualcosa con tanta forza, per unità di superficie, che può agire un po' come il piede di un geco, "Dice Hart.

Il team ha pubblicato oggi i suoi risultati sulla rivista Progressi scientifici .

Come lo scotch secco

Le pinze meccaniche esistenti non sono in grado di raccogliere oggetti di dimensioni inferiori a circa 50-100 micron, principalmente perché su scale più piccole le forze di superficie tendono a vincere sulla gravità. Potresti vederlo quando versi la farina da un cucchiaio, inevitabilmente, alcune minuscole particelle si attaccano alla superficie del cucchiaio, piuttosto che lasciare che la gravità li trascini via.

"Il predominio delle forze di superficie sulle forze di gravità diventa un problema quando si cerca di posizionare con precisione cose più piccole, che è il processo fondamentale mediante il quale l'elettronica viene assemblata in sistemi integrati, "Dice Hart.

Lui e i suoi colleghi hanno notato che l'elettroadesione, il processo di adesione dei materiali tramite una tensione applicata, è stato utilizzato in alcuni ambienti industriali per prelevare e posizionare oggetti di grandi dimensioni, come tessuti, tessili, e interi wafer di silicio. Ma questa stessa elettroadesione non era mai stata applicata a oggetti a livello microscopico, perché era necessario un nuovo design del materiale per il controllo dell'elettroadesione su scale più piccole.

Il gruppo di Hart ha precedentemente lavorato con i nanotubi di carbonio (CNT), atomi di carbonio collegati in uno schema reticolare e arrotolati in tubi microscopici. I CNT sono noti per la loro eccezionale meccanica, elettrico, e proprietà chimiche, e sono stati ampiamente studiati come adesivi a secco.

"Il lavoro precedente sugli adesivi a secco a base di CNT si è concentrato sulla massimizzazione dell'area di contatto dei nanotubi per creare essenzialmente uno scotch secco, "Dice Hart. "Abbiamo adottato l'approccio opposto, e detto, 'progettiamo una superficie di nanotubi per ridurre al minimo l'area di contatto, ma usa l'elettrostatica per attivare l'adesione quando ne abbiamo bisogno.'"

Un appiccicoso interruttore on/off

Il team ha scoperto che se rivestivano i CNT con un materiale dielettrico sottile come l'ossido di alluminio, quando hanno applicato una tensione ai nanotubi, lo strato ceramico si è polarizzato, il che significa che le sue cariche positive e negative sono state temporaneamente separate. Ad esempio, le cariche positive delle punte dei nanotubi inducevano una polarizzazione opposta in qualsiasi materiale conduttore vicino, come un microscopico elemento elettronico.

Di conseguenza, il timbro a base di nanotubi aderiva all'elemento, raccogliendolo come piccolo, dita elettrostatiche. Quando i ricercatori hanno spento la tensione, i nanotubi e l'elemento depolarizzato, e la "viscosità" è andata via, permettendo al timbro di staccarsi e appoggiare l'oggetto su una data superficie.

Il team ha esplorato varie formulazioni di disegni di francobolli, alterando la densità dei nanotubi di carbonio cresciuti sul francobollo, così come lo spessore dello strato ceramico che hanno usato per rivestire ciascun nanotubo. Hanno scoperto che più sottile era lo strato ceramico e meno distanziati erano i nanotubi di carbonio, maggiore è il rapporto on/off del francobollo, il che significa che maggiore era la viscosità del timbro quando la tensione era accesa, rispetto a quando era spento.

Nei loro esperimenti, il team ha utilizzato il timbro per raccogliere e posizionare pellicole di nanofili, ciascuno circa 1, 000 volte più sottile di un capello umano. Hanno anche usato la tecnica per raccogliere e posizionare intricati modelli di microparticelle polimeriche e metalliche, così come i micro-LED.

Hart afferma che la tecnologia di stampa elettroadesiva potrebbe essere ampliata per produrre circuiti stampati e sistemi di chip elettronici in miniatura, così come i display con pixel LED in microscala.

"Con le capacità sempre più avanzate dei dispositivi a semiconduttore, un'esigenza e un'opportunità importanti è quella di integrare componenti più piccoli e più diversificati, come microprocessori, sensori, e dispositivi ottici, " dice Hart. "Spesso, questi sono necessariamente realizzati separatamente ma devono essere integrati tra loro per creare sistemi elettronici di nuova generazione. La nostra tecnologia potrebbe colmare il divario necessario per scalabilità, montaggio conveniente di questi sistemi."