I ricercatori della Case Western Reserve University hanno vinto una sovvenzione di 1,2 milioni di dollari per sviluppare la tecnologia per la produzione di massa di dispositivi elettronici flessibili a un livello completamente nuovo di piccole dimensioni.

Mentre stanno escogitando nuovi strumenti e tecniche per rendere i fili più stretti di una particella di fumo, stanno anche creando modi per costruirli in materiali flessibili e confezionare l'elettronica in strati impermeabili di plastica resistente.

Il team di ingegneri, che si specializzano in diversi campi, in definitiva mira a costruire un'elettronica flessibile che si adatti alla realtà della vita:sensori per il monitoraggio della salute che possono essere indossati sopra o sotto la pelle e dispositivi elettronici pieghevoli sottili come un foglio di plastica. E, più in fondo alla strada, elettrodi impiantabili per la stimolazione del nervo che consentono ai pazienti di riprendere il controllo della paralisi o di padroneggiare un arto protesico.

Pensare in grande, il team ritiene che la tecnologia potrebbe essere utilizzata per sfornare rotoli di pannelli solari a film sottile che resistono per decenni agli elementi. Gli attuali pannelli a film sottile sono afflitti da brevi cicli di vita a causa delle infiltrazioni tra gli strati.

"Lo sviluppo commerciale dei sistemi nanoelettromeccanici è limitato dall'accesso a sistemi a basso costo, ad alto rendimento – lo chiamiamo 'throughput' – strumenti di elaborazione, "ha detto Christian Zorman, professore associato di ingegneria elettrica e informatica e ricercatore capo della borsa di studio. "Stiamo cercando di affrontare quel collo di bottiglia."

Con questa sovvenzione quadriennale del National Science Foundation Scalable Nanomanufacturing Program, Zorman e i suoi colleghi spingeranno tecnologie alternative che hanno creato per realizzare fili e altre strutture metalliche a meno di 100 nanometri, che è circa 1/10 del diametro di una particella di fumo.

Attualmente, i dispositivi che combinano funzioni elettroniche e meccaniche vengono realizzati così piccoli utilizzando la litografia a fascio di elettroni. Ma i fasci di elettroni sono troppo energetici per essere usati su plastiche flessibili e richiedono un vuoto molto alto, che limita notevolmente il throughput, , è costoso e richiede molto tempo, tutti ostacoli alla produzione di massa.

L'utilizzo di stampanti a getto d'inchiostro per costruire piccoli dispositivi si è dimostrato economico ed efficace, ma scendere nei nanometri è stato difficile.

Filippo Feng, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica, è specializzata in nanofabbricazione e dispositivi. Joao Maia, professore associato di scienze e ingegneria macromolecolare, è un esperto nella produzione di polimeri nanostratificati.

R. Mohan Sankaran, professore associato di ingegneria chimica, ha sviluppato la tecnologia per utilizzare i microplasmi come strumento di produzione. Zorman ha trascorso gli ultimi due decenni a sviluppare tecniche utilizzate per costruire dispositivi microelettromeccanici per ambienti difficili e applicazioni biomediche.

Quando Feng e Zorman hanno visto il lavoro di Sankaran "ci siamo resi conto che questo poteva rivoluzionare la produzione su scala nanometrica, " ha detto Zorman.

Un plasma è uno stato della materia simile a un gas ma una parte è ionizzata, cioè le particelle acquistano o perdono elettroni e si caricano. Una scintilla è un esempio di plasma, ma è caldo e incontrollabile.

Sankaran produce un microplasma controllabile ionizzando il gas argon mentre viene pompato fuori da un tubo largo quanto un capello. "Il plasma è come una matita, "Sankara ha detto, "Puoi usarlo per disegnare una linea o qualsiasi motivo tu voglia."

Per scendere ai nanometri, Feng deve realizzare stencil di fili di dimensioni nanometriche, circuiti e altre forme desiderate. Userà un resistente materiale in carburo di silicio sviluppato da Zorman.

"Per arrivare a 100 nanometri o meno, " Feng ha detto, "dobbiamo studiare le leggi di scala, i materiali utilizzati, e reazioni che un microplasma può indurre, come le reazioni sulla superficie di un polimero e all'interno del polimero, e confrontare questo processo fianco a fianco con la litografia a fascio di elettroni."

Mentre si ridimensionano, Maia si concentrerà sulla sigillatura dell'elettronica dall'umidità.

"Molte persone stanno lavorando sull'elettronica flessibile, ma il problema è che la durata del prodotto è breve perché l'umidità entra e diminuisce la resistività, cortocircuita o corrode l'elettronica, " disse Maia. "Se devi cambiare il tuo dispositivo flessibile ogni due settimane o due mesi, non è una buona cosa".

Maia realizzerà fogli di polimeri che includono un nanostrato incorporato con sali metallici, come nitruro d'argento o cloruro d'oro. Questi sono i precursori dei fili e delle strutture metalliche necessarie per realizzare l'elettronica.

Il foglio scorrerà attraverso una linea di produzione e si fermerà sotto gli stampini. Una serie di microplasmi sopra gli stampini si attiverà.

Nei test preliminari su un pezzo di pellicola stazionario, gli elettroni del microplasma viaggiano attraverso lo stampino e nel polimero dove trasformano i sali metallici in catene conduttive di particelle metalliche che formano fili e strutture, come la vernice spray e uno stencil forma lettere e numeri.

Il foglio può quindi essere immerso in una soluzione per sciogliere i sali metallici non esposti, da riciclare.

Verranno aggiunti più strati o combinazioni di strati per rendere il foglio a tenuta stagna.

Se sono necessari più dispositivi o strati di imballaggio, i fogli possono essere riavvolti durante il processo.

Originariamente, Maia e Zorman avevano guidato due squadre che avevano intenzione di perseguire questa sovvenzione NSF, ma il loro lavoro si adatta così bene, hanno deciso di collaborare. Il personale e i docenti dell'Institute of Advanced Materials presso la Case School of Engineering hanno contribuito a collegare il team.

"Si tratta di una proposta veramente multidisciplinare, " Zorman ha detto. "La produzione avanzata deve essere".

La sovvenzione arriva appena sei settimane dopo la Case Western Reserve, La Carnegie Mellon University e il National Center for Defense Manufacturing hanno guidato cinque dozzine di organizzazioni in tutto l'Ohio, Pennsylvania e West Virginia per aver vinto una sovvenzione federale per la produzione di 30 milioni di dollari. Il neonato National Additive Manufacturing Innovation Institute, i cui membri hanno aggiunto altri 40 milioni di dollari in finanziamenti, è lo sforzo pilota di un'iniziativa ambiziosa per trasformare la produzione in tutto il paese.