Un team internazionale di ricercatori ha sviluppato un nuovo metodo di manipolazione basato sulla luce che un giorno potrebbe essere utilizzato per produrre in serie componenti elettronici per smartphone, computer e altri dispositivi. Un modo più economico e veloce per produrre questi componenti potrebbe rendere meno costoso collegare oggetti di uso quotidiano, dall'abbigliamento agli elettrodomestici, a Internet, avanzando il concetto noto come Internet of Things. La tecnica di micromanipolazione potrebbe anche essere utilizzata per creare un sostituto più sicuro e più veloce per le batterie dei dispositivi mobili.

trappole ottiche, che utilizzano la luce per trattenere e spostare piccoli oggetti in un liquido, sono un metodo promettente senza contatto per l'assemblaggio di dispositivi elettronici e ottici. Però, quando si utilizzano queste trappole per applicazioni di produzione, il liquido deve essere rimosso, un processo che tende a spostare qualsiasi schema o struttura che si è formato utilizzando una trappola ottica.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express , ricercatori del Micromanipulation Research Group di Steven Neale, Università di Glasgow, Scozia, dettagliano il loro metodo per utilizzare un approccio di intrappolamento ottico avanzato noto come pinzette optoelettroniche per assemblare contatti elettrici. Grazie ad un innovativo metodo di liofilizzazione sviluppato da Shuailong Zhang, un membro del gruppo di ricerca di Neale, il liquido potrebbe essere rimosso senza disturbare i componenti assemblati.

"Le forze formate da queste pinzette optoelettroniche sono state paragonate a Star-Trek come raggi traenti che possono spostare oggetti attraverso un mezzo senza che nulla li tocchi, " ha detto Neale. "Questo evoca immagini di catene di montaggio senza braccia robotiche. Anziché, componenti discreti si assemblano quasi magicamente mentre sono guidati dai modelli di luce."

I ricercatori hanno dimostrato la tecnica assemblando un modello di minuscole perline di saldatura con una trappola optoelettronica, rimuovere il liquido, e quindi riscaldando il motivo per fondere insieme le perline, formare collegamenti elettrici. Hanno usato le perline di saldatura per dimostrare che in futuro, queste microparticelle potrebbero essere assemblate e fuse per creare connessioni elettriche.

"Le pinzette optoelettroniche sono convenienti e consentono la micromanipolazione parallela di particelle, "disse Zhang, che ora è all'Università di Toronto in Canada. "In linea di principio, possiamo muoverci di 10, 000 perline contemporaneamente. La combinazione di questo con il nostro approccio alla liofilizzazione crea una piattaforma molto economica adatta per l'uso nella produzione di massa".

Produzione elettronica migliorata

La nuova tecnica potrebbe offrire un modo alternativo per realizzare i circuiti che collegano i componenti presenti nella maggior parte dell'elettronica di oggi. Questi tipi di dispositivi sono attualmente realizzati utilizzando macchine automatizzate che raccolgono parti minuscole, posizionarli sul circuito e saldarli in posizione. Questo processo richiede un costoso stadio motorizzato per posizionare la scheda e un costoso braccio robotico ad alta precisione per raccogliere e posizionare le minuscole parti sul dispositivo. Il costo di questi sistemi di micromanipolazione continua ad aumentare poiché le dimensioni ridotte dell'elettronica aumentano i requisiti di precisione.

"Le pinzette optoelettroniche e la tecnica di liofilizzazione possono essere utilizzate non solo per assemblare perline di saldatura, ma anche per assemblare una vasta gamma di oggetti come nanofili semiconduttori, nanotubi di carbonio, microlaser e microLED, " disse Zhang. "Alla fine, vogliamo utilizzare questo strumento per assemblare componenti elettronici come condensatori e resistori, nonché dispositivi fotonici, come laser e LED, insieme in un dispositivo o sistema."

Intrappolamento di particelle con manipolazione optoelettronica

I ricercatori hanno utilizzato pinzette optoelettroniche perché questo approccio di manipolazione ottica può formare migliaia di trappole contemporaneamente, offrendo il potenziale di assemblaggio massicciamente parallelo. Le pinzette sono formate utilizzando uno strato di silicio che cambia la sua conduttività elettrica quando esposto alla luce. Nelle zone esposte a punti luce, si forma un campo elettrico non uniforme che interagisce con particelle o perline in uno strato liquido sopra il silicio, permettendo alle particelle di essere spostate con precisione spostando il punto di luce. La creazione di schemi di punti luce consente di spostare più particelle contemporaneamente.

"Utilizzando il nostro metodo, possiamo spostare cordoni di saldatura che misurano dalla gamma dei nanometri fino a circa 150 micron, " ha detto Zhang. "Siamo stati in grado di spostare oggetti che sono più di 150 micron, ma è più impegnativo perché all'aumentare delle dimensioni dell'oggetto, aumenta anche la forza di attrito."

Dopo aver utilizzato le pinzette optoelettroniche per assemblare un modello di 40 micron di diametro, perline di saldatura disponibili in commercio, i ricercatori hanno congelato il liquido nel dispositivo a pinzette optoelettroniche e quindi hanno ridotto la pressione circostante per consentire al liquido congelato di trasformarsi da solido direttamente in gas. Questo approccio di liofilizzazione ha permesso alle perline di saldatura assemblate di rimanere fisse in posizione dopo che il liquido è stato rimosso. I ricercatori affermano che può essere utilizzato per rimuovere il liquido utilizzato con qualsiasi tipo di trappola ottica, o anche trappole formate con onde acustiche.

Oltre ad assemblare i cordoni di saldatura in diverse linee, i ricercatori hanno anche dimostrato l'assemblaggio parallelo di diverse perline e hanno usato le perline per formare connessioni elettriche. I cordoni di saldatura mostrano una forte forza dielettrica, il che significa che possono essere spostati in modo preciso e veloce, consentendo un montaggio molto efficiente delle strutture.

I ricercatori stanno ora lavorando per trasformare il loro sistema di laboratorio in uno che combini la pinzetta optoelettronica e il processo di liofilizzazione in una singola unità. Stanno anche sviluppando un'interfaccia software per controllare la generazione di un modello di luce basato sul numero di particelle che devono essere intrappolate.

"Ora stiamo usando un computer per generare il modello di luce per spostare le perline, ma stiamo lavorando a un'app che permetta di utilizzare invece un tablet o uno smartphone, " ha detto Zhang. "Questo potrebbe consentire a qualcuno di sedersi lontano dal sistema e usare il dito per controllare i movimenti delle particelle, Per esempio."

Neale ha recentemente ricevuto finanziamenti per continuare questa linea di ricerca utilizzando il nuovo approccio di micromanipolazione ottica per creare condensatori ad alta densità di energia per sostituire le batterie nei dispositivi mobili.