Uma equipe internacional de pesquisadores desenvolveu um novo método de manipulação baseado em luz que poderia um dia ser usado para produzir em massa componentes eletrônicos para smartphones, computadores e outros dispositivos. Uma maneira mais rápida e barata de produzir esses componentes poderia tornar mais barato conectar objetos do cotidiano - de roupas a eletrodomésticos - à internet, avançando o conceito conhecido como Internet das Coisas. A técnica de micromanipulação também pode ser usada para criar um substituto de carregamento mais seguro e rápido para baterias de dispositivos móveis.

Armadilhas ópticas, que usam luz para segurar e mover pequenos objetos em líquido, são um método sem contato promissor para a montagem de dispositivos eletrônicos e ópticos. Contudo, ao usar essas armadilhas para aplicações de manufatura, o líquido deve ser removido, um processo que tende a deslocar qualquer padrão ou estrutura que tenha sido formado usando uma armadilha óptica.

No jornal The Optical Society (OSA) Optics Express , pesquisadores do Grupo de Pesquisa de Micromanipulação de Steven Neale, Universidade de Glasgow, Escócia, detalham seu método para usar uma abordagem de captura ótica avançada conhecida como pinça optoeletrônica para montar contatos elétricos. Graças a um método inovador de liofilização desenvolvido por Shuailong Zhang, um membro do grupo de pesquisa de Neale, o líquido pode ser removido sem perturbar os componentes montados.

"As forças formadas por essas pinças optoeletrônicas foram comparadas aos feixes de trator de Star-Trek que podem mover objetos através de um meio sem que nada os toque, "disse Neale." Isso evoca imagens de linhas de montagem sem braços robóticos. Em vez de, componentes discretos se montam quase que magicamente à medida que são guiados pelos padrões de luz. "

Os pesquisadores demonstraram a técnica montando um padrão de minúsculos cordões de solda com uma armadilha optoeletrônica, removendo o líquido, e, em seguida, aquecer o padrão para fundir as contas, formando conexões elétricas. Eles usaram os cordões de solda para demonstrar que, no futuro, essas micropartículas podem ser montadas e fundidas para criar conexões elétricas.

"As pinças optoeletrônicas são econômicas e permitem a micromanipulação paralela de partículas, "disse Zhang, que agora está na Universidade de Toronto, no Canadá. "Em princípio, podemos mover 10, 000 contas ao mesmo tempo. Combinar isso com nossa abordagem de liofilização cria uma plataforma muito barata que é adequada para uso na produção em massa. "

Fabricação de eletrônicos aprimorada

A nova técnica pode oferecer uma maneira alternativa de fazer as placas de circuito que conectam os componentes encontrados na maioria dos eletrônicos atuais. Atualmente, esses tipos de dispositivos são feitos com máquinas automatizadas que recolhem peças minúsculas, coloque-os na placa de circuito e solde-os no lugar. Esse processo requer um estágio motorizado caro para posicionar a placa e um braço robótico caro de alta precisão para pegar e colocar as peças minúsculas no dispositivo. O custo desses sistemas de micromanipulação continua a aumentar à medida que o tamanho cada vez menor dos eletrônicos aumenta os requisitos de precisão.

"A pinça optoeletrônica e a técnica de liofilização podem ser usadas não apenas para montar contas de solda, mas também para montar uma ampla gama de objetos, como nanofios semicondutores, nanotubos de carbono, microlasers e microLEDs, "disse Zhang." Eventualmente, queremos usar esta ferramenta para montar componentes eletrônicos, como capacitores e resistores, bem como dispositivos fotônicos, como lasers e LEDs, juntos em um dispositivo ou sistema. "

Partículas capturadas com manipulação optoeletrônica

Os pesquisadores usaram pinças optoeletrônicas porque esta abordagem de manipulação óptica pode formar milhares de armadilhas de uma vez, oferecendo o potencial de montagem massivamente paralela. As pinças são formadas com uma camada de silício que altera sua condutividade elétrica quando exposta à luz. Nas áreas expostas a pontos de luz, um campo elétrico não uniforme se forma que interage com partículas ou grânulos em uma camada líquida no topo do silício, permitindo que as partículas sejam movidas com precisão, movendo o ponto de luz. A criação de padrões de pontos de luz permite que várias partículas sejam movidas simultaneamente.

"Usando nosso método, podemos mover contas de solda medindo desde a faixa nanométrica até cerca de 150 mícrons, "disse Zhang." Temos sido capazes de mover objetos com mais de 150 mícrons, mas é mais desafiador porque à medida que o tamanho do objeto aumenta, a força de atrito também aumenta. "

Depois de usar a pinça optoeletrônica para montar um padrão de 40 mícrons de diâmetro, contas de solda disponíveis comercialmente, os pesquisadores congelaram o líquido no dispositivo de pinça optoeletrônica e, em seguida, reduziram a pressão circundante para permitir que o líquido congelado se transformasse de um sólido diretamente em um gás. Esta abordagem de liofilização permitiu que os grânulos de solda montados permanecessem fixos no lugar depois que o líquido foi removido. Os pesquisadores dizem que pode ser usado para remover o líquido usado com qualquer tipo de armadilha óptica, ou mesmo armadilhas formadas com ondas acústicas.

Além de montar os cordões de solda em linhas diferentes, os pesquisadores também demonstraram a montagem paralela de vários grânulos e os usaram para formar conexões elétricas. Os cordões de solda exibem uma forte força dielétrica, o que significa que eles podem ser movidos com precisão e rapidez, permitindo uma montagem muito eficiente de estruturas.

Os pesquisadores agora estão trabalhando para transformar seu sistema baseado em laboratório em um que combinaria a pinça optoeletrônica e o processo de liofilização em uma única unidade. Eles também estão desenvolvendo uma interface de software para controlar a geração de um padrão de luz com base no número de partículas que precisavam ser capturadas.

"Agora estamos usando um computador para gerar o padrão de luz para mover as contas, mas estamos trabalhando em um aplicativo que permitiria o uso de um tablet ou smartphone, "disse Zhang." Isso pode permitir que alguém se sente longe do sistema e use o dedo para controlar os movimentos das partículas, por exemplo."

Neale recentemente recebeu financiamento para continuar esta linha de pesquisa usando a nova abordagem de micromanipulação óptica para criar capacitores de alta densidade de energia para substituir baterias em dispositivos móveis.