Investigadores del MIT Logran Avance en Electrónica Activa Totalmente Impresa en 3D

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Los dispositivos están hechos de finas trazas impresas en 3D de polímero dopado con cobre. Contienen regiones conductoras intersectadas que permiten a los investigadores regular la resistencia controlando el voltaje alimentado en el interruptor. (Imagen: Cortesía de los investigadores)

El desafío de la electrónica activa

La electrónica activa —componentes que pueden controlar señales eléctricas— suele contener dispositivos semiconductores que reciben, almacenan y procesan información. Estos componentes, que deben fabricarse en salas limpias, requieren tecnología de fabricación avanzada que no está ampliamente disponible fuera de unos pocos centros de fabricación especializados.

Contexto: la escasez de semiconductores durante la pandemia

Durante la pandemia de Covid-19, la falta de instalaciones de fabricación de semiconductores generalizadas fue una de las causas de una escasez mundial de electrónica, lo que aumentó los costes para los consumidores y tuvo implicaciones en todo, desde el crecimiento económico hasta la defensa nacional. La capacidad de imprimir en 3D un dispositivo electrónico activo completo sin necesidad de semiconductores podría llevar la fabricación de electrónica a empresas, laboratorios y hogares de todo el mundo.

Un paso importante: fusibles reiniciables impresos en 3D

Aunque esta idea aún está lejos, los investigadores del MIT han dado un paso importante en esa dirección al demostrar fusibles reiniciables totalmente impresos en 3D, que son componentes clave de la electrónica activa y que normalmente requieren semiconductores.

Los dispositivos libres de semiconductores de los investigadores, que produjeron utilizando hardware estándar de impresión 3D y un material biodegradable económico, pueden realizar las mismas funciones de conmutación que los transistores basados en semiconductores utilizados para operaciones de procesamiento en electrónica activa.

Aunque aún están lejos de alcanzar el rendimiento de los transistores de silicio, los dispositivos impresos en 3D podrían utilizarse para operaciones básicas de control, como regular la velocidad de un motor eléctrico.

"Esta tecnología tiene verdadero potencial. Aunque no podemos competir con el silicio como semiconductor, nuestra idea no es necesariamente reemplazar lo que existe, sino llevar la tecnología de impresión 3D a territorio inexplorado. En pocas palabras, esto se trata realmente de democratizar la tecnología. Esto podría permitir a cualquiera crear hardware inteligente lejos de los centros de fabricación tradicionales", dijo Luis Fernando Velásquez-García, científico principal de investigación en los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (MTL) del MIT y autor principal de un artículo que describe los dispositivos, que aparece en Virtual and Physical Prototyping. Le acompaña en el artículo el autor principal Jorge Cañada, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica y ciencia de la computación.

Cómo funciona: un descubrimiento fortuito

Los semiconductores, incluido el silicio, son materiales con propiedades eléctricas que pueden adaptarse añadiendo ciertas impurezas. Un dispositivo de silicio puede tener regiones conductoras y aislantes, dependiendo de cómo se diseñe. Estas propiedades hacen que el silicio sea ideal para producir transistores, que son un componente básico de la electrónica moderna. Sin embargo, los investigadores no se propusieron imprimir en 3D dispositivos libres de semiconductores que se comportaran como transistores basados en silicio.

Este proyecto surgió de otro en el que fabricaban bobinas magnéticas usando impresión por extrusión, un proceso donde la impresora funde filamento y extruye material a través de una boquilla, fabricando un objeto capa por capa. Observaron un fenómeno interesante en el material que utilizaban, un filamento de polímero dopado con nanopartículas de cobre. Si hacían pasar una gran cantidad de corriente eléctrica a través del material, este exhibía un enorme pico de resistencia pero volvía a su nivel original poco después de que cesara el flujo de corriente.

Propiedad clave para crear interruptores

Esta propiedad permite a los ingenieros fabricar transistores que pueden funcionar como interruptores, algo que normalmente solo se asocia con el silicio y otros semiconductores. Los transistores, que se encienden y apagan para procesar datos binarios, se usan para formar puertas lógicas, que realizan computación.

Los investigadores intentaron replicar el mismo fenómeno con otros filamentos de impresión 3D, probando polímeros dopados con carbono, nanotubos de carbono y grafeno. Al final, no encontraron otro material imprimible que pudiera funcionar como un fusible reiniciable.

"Nuestra hipótesis es que las partículas de cobre en el material se dispersan cuando se calientan por la corriente eléctrica, lo que causa un pico de resistencia que vuelve a bajar cuando el material se enfría y las partículas de cobre se acercan. También creemos que la base polimérica del material cambia de cristalina a amorfa cuando se calienta, y vuelve a cristalina cuando se enfría —un fenómeno conocido como coeficiente de temperatura positivo polimérico", dijo Velásquez-García.

"Por ahora, esa es nuestra mejor explicación, pero no es la respuesta completa porque no explica por qué solo ocurrió en esta combinación de materiales. Necesitamos hacer más investigación, pero no hay duda de que este fenómeno es real."

Aplicación: puertas lógicas sin semiconductores

El equipo aprovechó el fenómeno para imprimir interruptores en un solo paso que podían usarse para formar puertas lógicas libres de semiconductores. Los dispositivos están hechos de finas trazas impresas en 3D de polímero dopado con cobre. Contienen regiones conductoras intersectadas que permiten a los investigadores regular la resistencia controlando el voltaje alimentado en el interruptor.

Aunque los dispositivos no funcionaron tan bien como los transistores basados en silicio, podrían usarse para funciones de control y procesamiento más simples, como encender y apagar un motor. Sus experimentos mostraron que, incluso después de 4.000 ciclos de conmutación, los dispositivos no mostraban signos de deterioro.

Limitaciones y ventajas

Pero hay límites en cuanto a lo pequeños que los investigadores pueden hacer los interruptores, basados en la física de la impresión por extrusión y las propiedades del material. Pudieron imprimir dispositivos de unos pocos cientos de micrones, pero los transistores en la electrónica de vanguardia tienen solo unos pocos nanómetros de diámetro.

"La realidad es que hay muchas situaciones de ingeniería que no requieren los mejores chips. Al final del día, lo único que importa es si tu dispositivo puede realizar la tarea. Esta tecnología es capaz de satisfacer una restricción como esa", dijo.

Sin embargo, a diferencia de la fabricación de semiconductores, su técnica usa un material biodegradable, el proceso consume menos energía y produce menos residuos. El filamento de polímero también podría doparse con otros materiales, como micropartículas magnéticas, lo que podría permitir funcionalidades adicionales.

Futuro: electrónica totalmente funcional impresa en 3D

En el futuro, los investigadores quieren usar esta tecnología para imprimir electrónica totalmente funcional. Se esfuerzan por fabricar un motor magnético funcional utilizando solo impresión 3D por extrusión. También quieren afinar el proceso para poder construir circuitos más complejos y ver hasta dónde pueden empujar el rendimiento de estos dispositivos.

"Este artículo demuestra que los dispositivos electrónicos activos pueden fabricarse usando materiales conductores poliméricos extruidos. Esta tecnología permite que la electrónica se integre en estructuras impresas en 3D. Una aplicación intrigante es la impresión 3D a demanda de mecatrónica a bordo de naves espaciales", dijo Roger Howe, Profesor Emérito de Ingeniería William E. Ayer en la Universidad de Stanford, quien no participó en este trabajo.

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