Ερευνητές του MIT ανακάλυψαν αναπάντεχα έναν τρόπο τρισδιάστατης εκτύπωσης ενεργών ηλεκτρονικών, δηλαδή τρανζίστορ και εξαρτημάτων για τον έλεγχο των ηλεκτρικών σημάτων, χωρίς τη χρήση ημιαγωγών ή ακόμη και ειδικής τεχνολογίας κατασκευής.
Αυτό υπερβαίνει κατά πολύ αυτό που μπορούμε να κάνουμε σήμερα με τους τρισδιάστατους εκτυπωτές, και αν τελειοποιηθεί, η μέθοδος αυτή θα μπορούσε τελικά να σημάνει την αρχή ενός νέου κύματος στην κατασκευή πρωτοτύπων, στον πειραματισμό, ακόμη και σε έργα DIY για όσους πιάνουν τα χέρια τους στο σπίτι.
Με την τρισδιάστατη εκτύπωση, οποιοδήποτε από μια σειρά υλικών, όπως θερμοπλαστικά νήματα, ρητίνη, κεραμικά και μέταλλα, τοποθετούνται σε διαδοχικά λεπτά στρώματα για να σχηματίσουν ένα τρισδιάστατο αντικείμενο. Αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να εκτυπώσετε κάθε είδους πράγματα, από μικρά παιχνίδια μέχρι κοσμήματα, έπιπλα και κτίρια.
Γιατί λοιπόν δεν εκτυπώνουμε τρισδιάστατα ηλεκτρονικά που να μπορούν να λειτουργήσουν; Η μεγάλη πρόκληση είναι ότι οι ημιαγωγοί, οι οποίοι παραδοσιακά κατασκευάζονται από καθαρό πυρίτιο και κόβονται σε λεπτές πλάκες για να γίνουν chips για gadgets, είναι εξαιρετικά εύθραυστοι. Η λειτουργικότητά τους μπορεί να επηρεαστεί από τη σκόνη, τα αερομεταφερόμενα σωματίδια και τα μικρόβια, ακόμη και από τη θερμοκρασία και την υγρασία. Ως εκ τούτου, ο χειρισμός τους γίνεται προσεκτικά σε καθαρούς χώρους, όπου η ποιότητα του αέρα και άλλοι παράγοντες ελέγχονται αυστηρά για να διασφαλιστεί ότι τα chips που κατασκευάζονται στο εσωτερικό τους λειτουργούν με ακρίβεια.
Επιπλέον, ο σύγχρονος σχεδιασμός των chips είναι εξαιρετικά πολύπλοκος, με εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια τρανζίστορ να στριμώχνονται σε μικροσκοπικούς επεξεργαστές χρησιμοποιώντας τεχνολογίες επεξεργασίας σε κλίμακα νανομέτρου. Αυτό είναι πολύ πιο ακριβές από αυτό που μπορούμε να επιτύχουμε σήμερα με τους τυπικούς τρισδιάστατους εκτυπωτές.
Ενδεικτικά, το Gekko chip της IBM που τροφοδοτούσε το Nintendo GameCube το 2001 διέθετε 21 εκατομμύρια τρανζίστορ. Το A12 Bionic chip της Apple στο iPhone XS του 2018 είχε 6,9 δισεκατομμύρια τρανζίστορ και κατασκευάστηκε με τεχνολογία διεργασίας 7 νανομέτρων.
Για να είμαστε ξεκάθαροι, η τρισδιάστατη εκτύπωση σύγχρονων gadgets δεν είναι καθόλου αυτό που επεδίωκαν οι ερευνητές του MIT. Στην πραγματικότητα, δεν είχαν καν στο μυαλό τους ημιαγωγούς όταν το βρήκαν αυτό.
Οι ερευνητές κατασκεύαζαν μαγνητικά πηνία χρησιμοποιώντας μια διαδικασία που ονομάζεται εκτύπωση εξώθησης για ένα άλλο project. Τότε ήταν που παρατήρησαν ότι το υλικό που χρησιμοποιούσαν, ένα πολυμερές νήμα ντοπαρισμένο με νανοσωματίδια χαλκού, παρουσίαζε μια μεγάλη αύξηση της αντίστασης όταν περνούσαν ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από αυτό. Και μόλις έκλειναν το ρεύμα, η αντίσταση του υλικού έπεφτε στο φυσιολογικό.
Αυτή είναι ουσιαστικά η ιδιότητα που βλέπουμε στους ημιαγωγούς όπως το πυρίτιο. Είναι ο λόγος για τον οποίο τους χρησιμοποιούμε για να κατασκευάσουμε τρανζίστορ που ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται για να σχηματίσουν λογικές πύλες σε επεξεργαστές.
«Είδαμε ότι αυτό ήταν κάτι που θα μπορούσε να βοηθήσει να φτάσει το υλικό τρισδιάστατης εκτύπωσης στο επόμενο επίπεδο», δήλωσε ο Luis Fernando Velásquez-García, κύριος ερευνητής στα εργαστήρια τεχνολογίας μικροσυστημάτων του MIT. «Προσφέρει έναν ξεκάθαρο τρόπο για την παροχή κάποιου βαθμού "εξυπνάδας" σε μια ηλεκτρονική συσκευή».
Η ομάδα επέδειξε πλήρως τρισδιάστατα εκτυπωμένες ασφάλειες και τρανζίστορ με επαναφορά χρησιμοποιώντας αυτό το φθηνό υλικό. Πρόκειται για απλά, αν και απαραίτητα εξαρτήματα σε ηλεκτρονικές συσκευές που συνήθως χρησιμοποιούν δύσχρηστους ημιαγωγούς.
Με μέγεθος μερικών εκατοντάδων μικρομέτρων, αυτά τα τρανζίστορ δεν είναι σχεδόν τόσο μικρά ή αποδοτικά όσο αυτά που θα βρίσκατε σε έναν επεξεργαστή ενός iPhone. Ωστόσο, είναι ανθεκτικά και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μια σειρά απλών εφαρμογών. Αυτό περιλαμβάνει κάτι τόσο απλό όσο ένας διακόπτης για τη λειτουργία ενός κινητήρα, και να μετατραπούν σε εξαρτήματα για ολοκληρωμένα κυκλώματα.
«Η πραγματικότητα είναι ότι υπάρχουν πολλές μηχανολογικές καταστάσεις που δεν απαιτούν τα καλύτερα chips», δήλωσε ο Fernando Velásquez-García. «Στο τέλος της ημέρας, το μόνο που σας ενδιαφέρει είναι αν η συσκευή σας μπορεί να κάνει την εργασία. Αυτή η τεχνολογία είναι σε θέση να ικανοποιήσει έναν τέτοιο περιορισμό».
Με ένα βιοδιασπώμενο υλικό και χωρίς την ανάγκη για καθαρούς χώρους, αυτή η μέθοδος για την κατασκευή απλών ηλεκτρονικών θα μπορούσε να βρει χρήση σε μέρη όπου η κατασκευή υψηλής ποιότητας είναι δύσκολη, όπως απομακρυσμένα ερευνητικά εργαστήρια και «πάνω σε διαστημόπλοια».
[via]
