Gli ingegneri vorrebbero creare dispositivi elettronici flessibili, come gli e-reader che possono essere piegati per entrare in una tasca. Un approccio che stanno provando prevede la progettazione di circuiti basati su fibre elettroniche, noti come nanotubi di carbonio (CNT), invece di chip di silicio rigido.

Ma l'affidabilità è essenziale. La maggior parte dei chip di silicio si basa su un tipo di progettazione del circuito che consente loro di funzionare perfettamente anche quando il dispositivo subisce fluttuazioni di potenza. Però, è molto più difficile farlo con i circuiti CNT.

Ora un team di Stanford ha sviluppato un processo per creare chip flessibili in grado di tollerare le fluttuazioni di potenza più o meno allo stesso modo dei circuiti in silicio.

"Questa è la prima volta che qualcuno ha progettato circuiti CNT flessibili che hanno sia un'elevata immunità al rumore elettrico che un basso consumo energetico, " disse Zhenan Bao, un professore di ingegneria chimica a Stanford con un appuntamento di cortesia in chimica e scienza e ingegneria dei materiali.

Il gruppo ha riportato i suoi risultati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Huiliang (Evan) Wang, uno studente laureato nel laboratorio di Bao, e Peng Wei, un precedente postdoc nel laboratorio di Bao, sono stati i principali autori del documento. La squadra di Bao includeva anche Yi Cui, professore associato di scienza dei materiali a Stanford, e Hye Ryoung Lee, uno studente laureato nel suo laboratorio.

In linea di principio, I CNT dovrebbero essere ideali per realizzare circuiti elettronici flessibili. Questi filamenti di carbonio ultra sottili hanno la forza fisica per sopportare l'usura della flessione, e la conduttività elettrica per eseguire qualsiasi compito elettronico.

Ma fino a questo recente lavoro del team di Stanford, i circuiti CNT flessibili non avevano l'affidabilità e l'efficienza energetica dei chip di silicio rigido.

Ecco il motivo. Col tempo, gli ingegneri hanno scoperto che l'elettricità può viaggiare attraverso i semiconduttori in due modi diversi. Può saltare da un buco positivo all'altro, oppure può far passare un mucchio di negativi elettronici come una collana di perline. Il primo tipo di semiconduttore è chiamato di tipo P, il secondo è chiamato e di tipo N.

Più importante, gli ingegneri hanno scoperto che i circuiti basati su una combinazione di transistor di tipo P e di tipo N funzionano in modo affidabile anche quando si verificano fluttuazioni di potenza, e consumano anche molta meno energia. Questo tipo di circuito con transistor sia di tipo P che di tipo N è chiamato circuito complementare. Negli ultimi 50 anni gli ingegneri sono diventati abili nel creare questa miscela ideale di percorsi conduttivi modificando la struttura atomica del silicio attraverso l'aggiunta di piccole quantità di sostanze utili - un processo chiamato "doping" che è concettualmente simile a quello che i nostri antenati hanno fatto migliaia di anni fa, quando mescolavano lo stagno nel rame fuso per creare il bronzo.

La sfida per il team di Stanford era che i CNT sono prevalentemente semiconduttori di tipo P e non c'era un modo semplice per drogare questi filamenti di carbonio per aggiungere caratteristiche di tipo N.

Il documento PNAS spiega come gli ingegneri di Stanford hanno superato questa sfida. Hanno trattato i CNT con un drogante chimico che hanno sviluppato noto come DMBI, e hanno usato una stampante a getto d'inchiostro per depositare questa sostanza in punti precisi sul circuito.

Questo ha segnato la prima volta che un circuito CNT flessibile è stato drogato per creare una miscela P-N in grado di funzionare in modo affidabile nonostante le fluttuazioni di potenza e con un basso consumo energetico.

Il processo di Stanford ha anche alcune potenziali applicazioni ai CNT rigidi. Sebbene altri ingegneri abbiano precedentemente drogato CNT rigidi per creare questa immunità al rumore elettrico, il processo Stanford preciso e finemente messo a punto esegue questi sforzi precedenti, suggerendo che potrebbe essere utile sia per circuiti CNT flessibili che rigidi.

Bao ha concentrato la sua ricerca sui CNT flessibili, che competono con altri materiali sperimentali, come plastiche appositamente formulate, diventare la base per l'elettronica pieghevole, proprio come il silicio è stato la base per l'elettronica rigida.

Essendo un materiale relativamente nuovo, I CNT stanno cercando di recuperare la plastica, che sono più vicini all'uso del mercato di massa per cose come schermi pieghevoli. Il processo di doping di Stanford avvicina i CNT flessibili alla commercializzazione perché mostra come creare la miscela P-N, e i conseguenti miglioramenti in termini di affidabilità e consumo energetico, già presente nei circuiti plastici.

Sebbene ci sia molto lavoro da fare per rendere commerciali i CNT, Bao crede che questi filamenti di carbonio siano il futuro dell'elettronica flessibile, perché sono abbastanza forti da piegarsi e allungarsi, pur essendo in grado di fornire prestazioni più veloci rispetto ai circuiti in plastica.

"I CNT offrono i migliori attributi elettronici e fisici a lungo termine, " ha detto Bao.