Исследователи Массачусетского технологического института неожиданно обнаружили способ 3D-печати активной электроники – то есть транзисторов и компонентов для управления электрическими сигналами – без использования полупроводников или специальной технологии изготовления. Это выходит далеко за пределы того, что мы можем сделать с помощью современных 3D-принтеров. И если этот метод будет усовершенствован, он может стать началом новой волны в прототипировании, экспериментировании и даже DIY-проектах для творческих людей дома.
С помощью 3D-печати можно создавать объекты из различных материалов, включая термопластичные нити, смолу, керамику и металл, которые наносятся слоями для создания трехмерного объекта. Это означает, что можно печатать различные вещи, от игрушек и украшений до мебели и зданий.
Почему же мы не печатаем рабочую электронику? Основной проблемой является то, что полупроводники, которые традиционно изготавливаются из чистого кремния и разрезаются на тонкие пластины для создания микросхем для гаджетов, очень хрупки. Их функциональность может быть нарушена пылью, воздушными частицами и микробами, а также температурой и влажностью. Поэтому они обрабатываются осторожно в чистых помещениях, где качество воздуха и другие факторы строго контролируются для обеспечения точной работы создаваемых внутри чипов.
Современный дизайн микросхем является крайне сложным, с миллионами или миллиардами транзисторов, упакованных на крошечные процессоры с использованием нанометровых технологий обработки. Это намного более точно, чем то, что мы можем достичь с помощью стандартных 3D-принтеров. Для справки, чип IBM Gekko, который использовался в Nintendo GameCube в 2001 году, имел 21 миллион транзисторов. Чип Apple A12 Bionic в iPhone XS 2018 года имел 6,9 миллиарда транзисторов и был изготовлен с использованием технологии обработки 7 нм.
Однако исследователи МИТ не стремились к печати современных гаджетов. Фактически, они даже не думали о полупроводниках, когда обнаружили этот метод.
Исследователи изготавливали магнитные катушки с использованием процесса экструзионной печати для другого проекта. Именно тогда они обнаружили, что материал, который они использовали – полимерная нить, пропитанная медными наночастицами, проявляла большой скачок сопротивления, когда через нее проходил электрический ток. И как только они выключали ток, сопротивление материала возвращалось к нормальному.
Это в основном свойство, которое мы видим в полупроводниках, таких как кремний. Именно поэтому мы используем их для создания транзисторов, которые включаются и выключаются для формирования логических элементов в процессорах.
“Мы увидели, что это может помочь взять аппаратное обеспечение 3D-печати на новый уровень,” – сказал Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, главный исследователь в Лабораториях микросистем технологий МИТ. “Это предлагает ясный способ придать некоторую степень ‘умности’ электронному устройству.”
Команда продемонстрировала полностью 3D-напечатанные перезапускаемые предохранители и транзисторы с использованием этого недорогого материала. Это простые, но важные компоненты в электронных устройствах, которые обычно используют сложные полупроводники.
С такими транзисторами размером всего несколько сотен микрон, они далеко не такие маленькие или производительные, как те, которые можно найти на процессоре iPhone. Однако они прочные и могут использоваться для широкого спектра простых приложений. Это включает в себя что-то настолько простое, как выключатель для управления мотором, и превращение их в части для интегральных схем.
“Реальность заключается в том, что существует много инженерных ситуаций, которые не требуют лучших чипов,” – сказал Фернандо Веласкес-Гарсия. “В конце концов, все, что вам нужно, – это то, может ли ваше устройство выполнить задачу. Эта технология способна удовлетворить такое ограничение.” С биоразлагаемым материалом и необходимостью чистых помещений этот метод создания простой электроники может найти применение в местах, где сложная фабрикация затруднена – например, в удаленных исследовательских лабораториях и “на борту космических кораблей.” Теперь это можно назвать счастливой случайностью. Статья о исследовании была опубликована в журнале Virtual and Physical Prototyping.