I ricercatori della Duke University e della North Carolina State University hanno dimostrato le prime microparticelle di semiconduttori personalizzate che possono essere guidate ripetutamente in varie configurazioni mentre sono sospese nell'acqua.
Con le prime sei particelle personalizzate che interagiscono prevedibilmente tra loro in presenza di campi elettrici di corrente alternata (AC) di frequenze variabili, lo studio presenta i primi passi verso la realizzazione di applicazioni avanzate come muscoli artificiali e sistemi informatici riconfigurabili.
Lo studio appare online il 3 maggio sulla rivista Comunicazioni sulla natura .
"Abbiamo progettato e codificato risposte dinamiche multiple in diverse microparticelle per creare una cassetta degli attrezzi in silicio riconfigurabile, " disse Ugonna Ohiri, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica recentemente laureato alla Duke e primo autore dell'articolo. "Fornendo un mezzo per assemblare e smontare in modo controllabile queste particelle, stiamo portando un nuovo strumento nel campo della materia attiva."
Mentre i ricercatori precedenti hanno lavorato per definire i sistemi autoassemblanti, pochi hanno lavorato con particelle semiconduttrici, e nessuno ha esplorato la vasta gamma di forme personalizzate, dimensioni e rivestimenti disponibili per l'industria della micro e nanofabbricazione. L'ingegneria delle particelle di silicio offre l'opportunità di realizzare fisicamente dispositivi elettronici che possono autoassemblarsi e smontarsi su richiesta. La personalizzazione delle loro forme e dimensioni offre l'opportunità di esplorare un ampio spazio di progettazione di nuovi comportamenti mobili.
"La maggior parte dei lavori precedenti eseguiti utilizzando particelle autoassemblanti è stata eseguita con forme come sfere e altri materiali disponibili in commercio, " disse Nan Jokerst, il J. A. Jones Professor di Ingegneria Elettrica e Informatica alla Duke. "Ora che possiamo personalizzare qualsiasi forma arbitraria, caratteristiche elettriche e rivestimenti modellati che vogliamo con il silicio, si sta aprendo un mondo completamente nuovo".
Nello studio, Jokerst e Ohiri fabbricarono particelle di silicio di varie forme, dimensioni e proprietà elettriche. In collaborazione con Orlin Velev, il Professore INVISTA di Ingegneria Chimica e Biomolecolare presso NC State, hanno caratterizzato il modo in cui queste particelle rispondevano a diverse grandezze e frequenze dei campi elettrici mentre erano immerse nell'acqua.
Sulla base di queste osservazioni, i ricercatori hanno quindi fabbricato nuovi lotti di particelle personalizzate che avrebbero probabilmente mostrato i comportamenti che stavano cercando, risultando in sei diverse composizioni di microparticelle di silicio ingegnerizzate che potrebbero muoversi attraverso l'acqua, sincronizzare i loro movimenti, e reversibilmente montare e smontare su richiesta.
Le particelle del film sottile sono rettangoli da 10 micron per 20 micron con uno spessore di 3,5 micron. Sono fabbricati utilizzando la tecnologia Silicon-on-Insulator (SOI). Poiché possono essere realizzati utilizzando la stessa tecnologia di fabbricazione che produce circuiti integrati, milioni di particelle identiche potrebbero essere prodotte alla volta.
"L'idea è che alla fine saremo in grado di realizzare sistemi computazionali al silicio che si assemblano, smontare e poi rimontare in un formato diverso, " ha detto Jokerst. "Questo è molto lontano nel futuro, ma questo lavoro fornisce un senso delle capacità che sono là fuori ed è la prima dimostrazione di come potremmo realizzare quel tipo di dispositivi".
Questo è, però, solo la punta del proverbiale iceberg. Alcune delle particelle sono state fabbricate con regioni sia di tipo p che di tipo n per creare giunzioni p-n, componenti elettrici comuni che consentono all'elettricità di passare in una sola direzione. Piccoli modelli metallici sono stati anche posizionati sulle superfici delle particelle per creare diodi a giunzione p-n con contatti. Nel futuro, i ricercatori potrebbero persino progettare particelle con modelli usando altri materiali elettricamente conduttivi o isolanti, circuiti integrati complessi, o microprocessori sopra o all'interno del silicio.
"Questo lavoro è solo una piccola istantanea degli strumenti che abbiamo per controllare la dinamica delle particelle, " ha detto Ohiri. "Non abbiamo nemmeno scalfito la superficie di tutti i comportamenti che possiamo progettare, ma speriamo che questo studio multidisciplinare possa aprire la strada a studi futuri per progettare materiali attivi artificiali".
