Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) впервые полностью напечатали на 3D-принтере так называемые активные электронные компоненты. Открытие, как признаются авторы, было сделано случайно и стало первым шагом на пути к производству сложной электроники простым и дешевым методом. Результаты работы были опубликованы в журнале Virtual and Physical Prototyping.
- Источник:
Jakub Zerdzicki via Legion Media
Активной электроникой принято называть компоненты, нуждающиеся в источнике питания и способные в процессе работы генерировать, преобразовывать или усиливать электрические сигналы, подавая их в заданную цепь. Обычно в их состав входят элементы, изготавливаемые из полупроводниковых материалов, например, транзисторы, которые получают, хранят и обрабатывают информацию.
Сегодня производство полупроводниковых транзисторов на основе кремния возможно только на нескольких специализированных предприятиях в стерильных условиях с постоянным контролем влажности, температуры и других показателей среды. Поскольку современные процессоры содержат сотни миллионов и даже миллиарды транзисторов размером в несколько нанометров (10-9 метра), попадание самой крошечной пылинки может быть фатальным. Эти ограничения приводят к тому, что в мире все сильнее ощущается дефицит полупроводниковых компонентов, а их себестоимость и отпускные цены неуклонно растут. Например, во время недавней пандемии COVID-19 это сказалось не только на рядовых пользователях смартфонов и компьютеров, но и на экономике и национальной обороне целых стран.
Постоянно совершенствующиеся технологии 3D-печати, позволяющие создавать трехмерные объекты путем послойного нанесения пластика, металла или иного материала, напротив, отличаются относительной дешевизной и не требуют особых условий, но до сих пор с их помощью невозможно было создавать функциональную активную электронику.
Над решением этой проблемы работают исследователи из разных стран, но удача улыбнулась ученым из США, причем случайно. В момент совершения открытия команда из MIT занималась печатью магнитных катушек для другой цели на обычном 3D-принтере, с использованием полимерной нити с наночастицами меди в качестве «строительного материала». Исследователи заметили, что сопротивление медно-полимерного состава резко возрастало при пропускании через него электрического тока и возвращалось в норму как только напряжение отключалось — это и есть основное свойство полупроводниковых материалов, необходимое для работы транзисторов из них.
При помощи этого недорогого и биоразлагаемого материала команда создала первые полностью напечатанные на 3D-принтере cамовосстанавливающиеся предохранители. Также ученые смогли получить и простые аналоги транзисторов — пересекающиеся в них проводящие области дают возможность контролировать подаваемое напряжение и регулировать сопротивление.
«Это может помочь вывести оборудование для 3D-печати на новый уровень. Это очевидный способ сделать электронное устройство [созданное на 3D-принтере] в некоторой степени „умным“», — подводит первые итоги работы главный научный сотрудник Лаборатории микросистемных технологий MIT Луис Фернандо Веласкес-Гарсия.
Напечатанный на 3D-принтере компонент активной электроники (слева). На центральной и правой фотографиях показано, как сильно нагревается один из его элементов при повышении силы пропускаемого тока
- Источник:
Luis Fernando Velásquez-García
Получившиеся компоненты оказались вполне функциональными и долговечными — они могут использоваться в некоторых простых сценариях так же, как полупроводниковая активная электроника. Так, в одном из экспериментов опытный транзистор-переключатель пережил 4000 циклов работы без малейших признаков деградации. Такой надежный и простой элемент не сможет конкурировать с нанометровым транзистором в процессоре вашего смартфона, но прекрасно подойдет, например, для управления мотором.
«Реальность такова, что во многих инженерных ситуациях не требуются самые лучшие чипы. В конце концов, все, что вас волнует, — может ли ваше устройство выполнить задачу. Эта технология способна удовлетворить такое требование», — поясняет Веласкес-Гарсия.
Ученые протестировали на предмет «полупроводниковости» и другие материалы, добавляя их вместо меди в полимеры для 3D-печати. Однако все эти опыты не увенчались успехом — авторы пока только частично могут объяснить, почему «сработала» только медь, и продолжают исследования.
В любом случае, эта технология позволяет сделать большой шаг вперед в использовании 3D-печати для изготовления электронных устройств, но сперва ученым предстоит усовершенствовать открытый метод. Если все сложится удачно, в будущем он может применяться там, где до сих пор сложно было даже представить высокотехнологичное производство — от домашних мастерских из разряда «сделай сам» до лабораторий на борту космических кораблей и орбитальных станций.
