p O grupo de Luis Fernando Velásquez-García nos Laboratórios de Tecnologia de Microsistemas (MTL) do MIT desenvolve matrizes densas de cones microscópicos que utilizam forças eletrostáticas para ejetar fluxos de íons. p A tecnologia tem uma gama de aplicações promissoras:recursos de depósito ou gravação em dispositivos mecânicos em nanoescala; girando nanofibras para uso em filtros de água, armadura corporal, e têxteis "inteligentes"; ou sistemas de propulsão para "nanossatélites" do tamanho de um punho.

p Na última edição do IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, Velásquez-García, seus alunos de graduação Eric Heubel e Philip Ponce de Leon, e Frances Hill, um pós-doutorado em seu grupo, descrevem uma nova matriz de protótipo que gera 10 vezes a corrente de íons por emissor que as matrizes anteriores.

p A corrente de íons é uma medida da carga transportada pelos íons em movimento, que se traduz diretamente na taxa em que as partículas podem ser ejetadas. Correntes mais altas prometem uma fabricação mais eficiente e satélites mais ágeis.

p O mesmo protótipo também empacota 1, 900 emissores em um chip que tem apenas um centímetro quadrado, quadruplicando o tamanho da matriz e a densidade do emissor até mesmo do melhor de seus antecessores.

p “Este é um campo que se beneficia da miniaturização dos componentes, porque reduzir emissores implica menos consumo de energia, menos tensão de polarização para operá-los, e maior rendimento, "diz Velásquez-García, um cientista pesquisador principal da MTL. "O tópico que abordamos é como podemos fazer com que esses dispositivos operem o mais próximo possível do limite teórico e como podemos aumentar muito a taxa de transferência em virtude da multiplexação, com dispositivos maciçamente paralelos que operam uniformemente. "

p Quando Velásquez-García fala de um "limite teórico, "ele está falando sobre o ponto em que gotículas - aglomerados de moléculas - em vez de íons - moléculas individuais - começam a fluir dos emissores. Entre outros problemas, as gotas são mais pesadas, então sua velocidade de ejeção é menor, o que os torna menos úteis para gravação ou propulsão de satélite.

p Os íons ejetados pelo protótipo de Velásquez-García são produzidos a partir de um sal iônico que é líquido à temperatura ambiente. A tensão superficial absorve o fluido da lateral dos emissores até a ponta do cone, cuja estreiteza concentra o campo eletrostático. Na ponta, o líquido é ionizado e, idealmente, ejetou uma molécula de cada vez.

p Diminua o fluxo

p Quando a corrente de íons em um emissor fica alta o suficiente, a formação de gotículas é inevitável. Mas as matrizes de emissores anteriores - aquelas construídas pelo grupo de Velásquez-García e por outros - ficaram bem aquém desse limite.

p Aumentar a corrente de íons de uma matriz é uma questão de regular o fluxo do sal iônico pelos lados dos emissores. Fazer isso, os pesquisadores do MIT já haviam usado silício preto, uma forma de silício cultivada como cerdas compactadas. Mas no novo trabalho, em vez disso, usaram nanotubos de carbono - folhas de carbono com a espessura de um átomo enroladas em cilindros - cultivadas nas encostas dos emissores como árvores na encosta de uma montanha.

p Ajustando cuidadosamente a densidade e a altura dos nanotubos, os pesquisadores conseguiram atingir um fluxo de fluido que possibilitou uma corrente de íon operacional muito próxima do limite teórico.

p "Também mostramos que eles funcionam de maneira uniforme - que cada emissor está fazendo exatamente a mesma coisa, "Velásquez-García diz. Isso é crucial para aplicações de nanofabricação, em que a profundidade de uma gravura, ou a altura dos depósitos, deve ser consistente em todo o chip.

p Para controlar o crescimento dos nanotubos, os pesquisadores primeiro cobrem a matriz emissora com um filme de catalisador ultrafino, que é quebrado em partículas por reações químicas com o substrato e o meio ambiente. Em seguida, eles expõem a matriz a um plasma rico em carbono. Os nanotubos crescem sob as partículas de catalisador, que se sentam em cima deles, até que o catalisador se degrada.

p Aumentar a densidade do emissor - a outra melhoria relatada no novo artigo - era uma questão de otimizar a receita de fabricação existente, "Velásquez-García diz. Os emissores, como a maioria dos dispositivos de silício em nanoescala, foram produzidos por fotolitografia, um processo no qual os padrões são opticamente transferidos para camadas de materiais depositados em placas de silício; um plasma então grava o material de acordo com o padrão. “A receita são os gases, potência, nível de pressão, Tempo, e a sequência da gravação, "Velásquez-García diz." Começamos a fazer matrizes de eletrospray 15 anos atrás, e fazer diferentes gerações de dispositivos nos deu o know-how para torná-los melhores. "

p Nanimpressão

p Velásquez-García acredita que o uso de matrizes de emissores para produzir nanodispositivos pode ter várias vantagens sobre a fotolitografia - a técnica que produz as próprias matrizes. Porque eles podem operar em temperatura ambiente e não requerem uma câmara de vácuo, as matrizes podem depositar materiais que não podem suportar as condições extremas de muitos processos de micro e nanofabricação. E eles poderiam eliminar o processo demorado de depositar novas camadas de material, expondo-os a padrões ópticos, gravando-os, e então começar tudo de novo.

p "Na minha opinião, os melhores nanossistemas serão feitos por impressão 3-D porque isso contornaria os problemas de microfabricação padrão, "Velásquez-García diz." Usa equipamentos proibitivamente caros, que requer um alto nível de treinamento para operar, e tudo é definido em planos. Em muitas aplicações, você deseja a tridimensionalidade:a impressão 3-D fará uma grande diferença nos tipos de sistemas que podemos montar e na otimização que podemos fazer. "

p “Normalmente o interesse desse tipo de emissor é ser capaz de emitir um feixe de íons e não um feixe de gotículas, "diz Herbert Shea, professor associado do Laboratório de Microsistemas para Tecnologias Espaciais da École Polytechnique Fédérale de Lausanne. "Usando sua floresta de nanotubos, eles são capazes de fazer com que os dispositivos operem no modo de íon puro, mas têm uma alta corrente normalmente associada ao modo de gota. "

p Shea acredita que, pelo menos no curto prazo, a aplicação mais promissora da tecnologia é na propulsão de naves espaciais. "Seria preciso muito esforço para torná-lo uma ferramenta prática de microusinagem, ao passo que levaria muito pouco esforço para usá-lo como propulsão para pequenas espaçonaves, "ele diz." A razão pela qual você gostaria de estar no modo iônico é ter a conversão mais eficiente da massa do propelente no momento da espaçonave. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.