Os pesquisadores da Case Western Reserve University ganharam uma bolsa de US $ 1,2 milhão para desenvolver tecnologia para dispositivos eletrônicos flexíveis de produção em massa em um nível totalmente novo de pequeno porte.

Enquanto eles estão desenvolvendo novas ferramentas e técnicas para tornar os fios mais estreitos do que uma partícula de fumaça, eles também estão criando maneiras de construí-los em materiais flexíveis e embalar os componentes eletrônicos em camadas impermeabilizantes de plásticos duráveis.

A equipe de engenheiros, que se especializam em diferentes campos, em última análise, visa construir eletrônicos flexíveis que se adaptam às realidades da vida:sensores de monitoramento de saúde que podem ser usados ​​sobre ou sob a pele e dispositivos eletrônicos dobráveis ​​tão finos quanto uma folha de plástico. E, mais adiante na estrada, eletrodos estimuladores de nervos implantáveis ​​que permitem que os pacientes recuperem o controle da paralisia ou dominem um membro protético.

Pensando maior, a equipe acredita que a tecnologia pode ser usada para produzir rolos de painéis solares de película fina que resistem a décadas nos elementos. Os painéis de filme fino atuais são afetados por uma vida útil curta devido à infiltração entre as camadas.

“O desenvolvimento comercial de sistemas nanoeletromecânicos é limitado pelo acesso a sistemas de baixo custo, alto rendimento - nós o chamamos de 'rendimento' - ferramentas de processamento, "disse Christian Zorman, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação e pesquisador-chefe da bolsa. "Estamos tentando resolver esse gargalo."

Com esta concessão de quatro anos do Programa de Nanofabricação Escalável da National Science Foundation, Zorman e seus colegas promoverão tecnologias alternativas que criaram para fazer fios e outras estruturas metálicas com menos de 100 nanômetros, que é cerca de 1/10 do diâmetro de uma partícula de fumaça.

Atualmente, dispositivos que combinam funções eletrônicas e mecânicas estão sendo feitos tão pequenos usando litografia de feixe de elétrons. Mas os feixes de elétrons são muito energéticos para serem usados ​​em plásticos flexíveis e requerem alto vácuo, o que limita significativamente a taxa de transferência, , é caro e consome muito tempo - todos os impedimentos para a produção em massa.

O uso de impressoras a jato de tinta para construir pequenos dispositivos provou ser barato e eficaz, mas descer até os nanômetros tem sido difícil.

Philip Feng, professor assistente de engenharia elétrica e ciência da computação, é especializada em nanofabricação e dispositivos. João Maia, um professor associado de ciência macromolecular e engenharia, é especialista na fabricação de polímeros em nanoligada.

R. Mohan Sankaran, um professor associado de engenharia química, desenvolveu a tecnologia para utilizar microplasmas como ferramenta de fabricação. Zorman passou as últimas duas décadas desenvolvendo técnicas usadas para construir dispositivos microeletromecânicos para ambientes hostis e aplicações biomédicas.

Quando Feng e Zorman viram o trabalho de Sankaran "percebemos que isso poderia revolucionar a fabricação em nanoescala, "Zorman disse.

Um plasma é um estado da matéria semelhante a um gás, mas uma parte é ionizada, isto é, as partículas estão ganhando ou perdendo elétrons e se tornando carregadas. Uma faísca é um exemplo de plasma, mas está quente e incontrolável.

Sankaran produz um microplasma controlável ao ionizar o gás argônio conforme ele é bombeado para fora de um tubo com a largura de um cabelo. "O plasma é como um lápis, "Sankaran disse, "Você pode usá-lo para desenhar uma linha ou qualquer padrão que desejar."

Para descer aos nanômetros, Feng deve fazer estênceis de fios nanométricos, circuitos e outras formas desejadas. Ele usará um material durável de carboneto de silício que Zorman desenvolveu.

"Para chegar a 100 nanômetros ou menos, "Feng disse, "devemos estudar as leis da escala, os materiais usados, e reações que um microplasma pode induzir, como as reações na superfície de um polímero e dentro do polímero, e comparar este processo lado a lado com a litografia por feixe de elétrons. "

À medida que eles diminuem, Maia se concentrará em isolar a eletrônica da umidade.

"Muitas pessoas estão trabalhando com eletrônicos flexíveis, mas o problema é que a vida útil do produto é curta porque a umidade entra e diminui a resistividade, provoca curto ou corrói os componentes eletrônicos, "Maia disse." Se você tiver que trocar seu dispositivo flexível a cada duas semanas ou dois meses, isso não é uma coisa tão boa. "

Maia fará folhas de polímeros que incluem uma nanocamada embutida com sais metálicos, como nitreto de prata ou cloreto de ouro. Esses são os precursores dos fios e estruturas metálicas necessários para fazer a eletrônica.

A folha vai rolar por uma linha de produção e pausar sob os estênceis. Um conjunto de microplasmas acima dos estênceis será disparado.

Em testes preliminares em um pedaço de filme estacionário, elétrons do microplasma viajam através do estêncil e para o polímero, onde transformam os sais de metal em cadeias condutoras de partículas de metal que formam fios e estruturas, como tinta spray e um estêncil formam letras e números.

A folha pode então ser mergulhada em uma solução para dissolver os sais de metal não expostos, para ser reciclado.

Mais camadas ou combinações de camadas serão adicionadas para tornar a folha estanque.

Se vários dispositivos ou camadas de embalagem forem necessários, as folhas podem ser enroladas de volta ao longo do processo.

Originalmente, Maia e Zorman lideraram duas equipes que planejavam buscar esta doação da NSF, mas o trabalho deles se encaixou tão bem, eles decidiram trabalhar juntos. Funcionários e professores do Instituto de Materiais Avançados da Case School of Engineering ajudaram a unir a equipe.

“Esta é uma proposta verdadeiramente multidisciplinar, "Zorman disse." A manufatura avançada tem que ser. "

A concessão chega apenas seis semanas após a Case Western Reserve, A Carnegie Mellon University e o National Center for Defense Manufacturing lideraram cinco dúzias de organizações em Ohio, Pensilvânia e Virgínia Ocidental em ganhar um subsídio de fabricação federal de US $ 30 milhões. O recém-formado Instituto Nacional de Inovação de Fabricação de Aditivos, cujos membros adicionaram outros $ 40 milhões em financiamento, é o esforço piloto de uma iniciativa ambiciosa para transformar a manufatura em todo o país.