Elektroklæbende stempel opfanger og nedsætter mikroskopiske strukturer

Hvis du skulle lirke din smartphone op, du ville se en række elektroniske chips og komponenter lagt ud over et printkort, som en miniatureby. Hver komponent kan indeholde endnu mindre "chiplets, Nogle er ikke bredere end et menneskehår. Disse elementer er ofte samlet med robotgribere designet til at samle komponenterne op og placere dem i præcise konfigurationer.

Da printkort er pakket med stadig mindre komponenter, imidlertid, robotgribernes evne til at manipulere disse objekter nærmer sig en grænse.

"Elektronikfremstilling kræver håndtering og samling af små komponenter i en størrelse svarende til eller mindre end melkorn, " siger Sanha Kim, en tidligere MIT postdoc og forsker, der arbejdede i laboratoriet hos maskiningeniør lektor John Hart. "Så der er brug for en speciel pick-and-place-løsning, snarere end blot at miniaturisere [eksisterende] robotgribere og vakuumsystemer."

Nu Kim, Hart, og andre har udviklet et miniature "elektroadhæsivt" stempel, der kan opfange og placere genstande så små som 20 nanometer brede - omkring 1, 000 gange finere end et menneskehår. Stemplet er lavet af en sparsom skov af keramisk-coatede kulstof nanorør arrangeret som børster på en lille børste.

Når en lille spænding påføres stemplet, kulstof nanorør bliver midlertidigt ladede, danner prikker af elektrisk tiltrækning, der kan tiltrække en lille partikel. Ved at slukke for spændingen, frimærkets "klæbrighed" forsvinder, gør det muligt for den at frigive objektet til en ønsket placering.

Hart siger, at stemplingsteknikken kan skaleres op til en produktionsindstilling for at udskrive mikro- og nanoskalafunktioner, for eksempel at pakke flere elementer på stadig mindre computerchips. Teknikken kan også bruges til at mønstre andre små, indviklede funktioner, såsom celler til kunstigt væv. Og, teamet forestiller sig makroskala, bioinspirerede elektroadhæsive overflader, såsom spændingsaktiverede puder til at gribe hverdagsgenstande og til gekko-lignende klatrerobotter.

"Simpelthen ved at kontrollere spændingen, du kan skifte overfladen fra grundlæggende at have nul vedhæftning til at trække i noget så stærkt, på basis af arealanenhed, at den kan virke lidt som en gekkofod, " siger Hart.

Holdet har offentliggjort sine resultater i dag i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Som tør Scotch-tape

Eksisterende mekaniske gribere er ikke i stand til at opfange genstande mindre end omkring 50 til 100 mikron, hovedsagelig fordi overfladekræfter i mindre skalaer har tendens til at vinde over tyngdekraften. Du kan se dette, når du hælder mel fra en ske - uundgåeligt, nogle små partikler klæber til skeens overflade, i stedet for at lade tyngdekraften trække dem væk.

"Overfladekræfternes dominans over tyngdekraften bliver et problem, når man forsøger at placere mindre ting præcist - hvilket er den grundlæggende proces, hvorved elektronik samles i integrerede systemer, " siger Hart.

Han og hans kolleger bemærkede, at elektroadhæsion, processen med at klæbe materialer via en påført spænding, er blevet brugt i nogle industrielle omgivelser til at plukke og placere store genstande, såsom stoffer, tekstiler, og hele siliciumskiver. Men den samme elektroadhæsion var aldrig blevet anvendt på objekter på mikroskopisk niveau, fordi der var behov for et nyt materialedesign til styring af elektroadhæsion i mindre skalaer.

Harts gruppe har tidligere arbejdet med carbon nanorør (CNT'er) - carbonatomer forbundet i et gittermønster og rullet ind i mikroskopiske rør. CNT'er er kendt for deres exceptionelle mekaniske, elektriske, og kemiske egenskaber, og de er blevet bredt undersøgt som tørre klæbemidler.

"Tidligere arbejde med CNT-baserede tørre klæbemidler fokuserede på at maksimere kontaktområdet for nanorørene for i det væsentlige at skabe en tør Scotch-tape, " siger Hart. "Vi tog den modsatte tilgang, og sagde, 'lad os designe en nanorøroverflade for at minimere kontaktområdet, men brug elektrostatik til at slå adhæsion til, når vi har brug for det."

En klæbrig tænd/sluk-knap

Holdet fandt ud af, at hvis de belagde CNT'er med et tyndt dielektrisk materiale såsom aluminiumoxid, når de påførte en spænding til nanorørene, det keramiske lag blev polariseret, hvilket betyder, at dens positive og negative ladninger blev midlertidigt adskilt. For eksempel, de positive ladninger af spidserne af nanorørene inducerede en modsat polarisering i ethvert nærliggende ledende materiale, såsom et mikroskopisk elektronisk element.

Som resultat, det nanorør-baserede stempel klæbet til elementet, samler det op som lille, elektrostatiske fingre. Da forskerne slukkede for spændingen, nanorørene og grundstoffet depolariserede, og "klæbrigheden" forsvandt, tillader stemplet at løsne sig og placere objektet på en given overflade.

Holdet udforskede forskellige formuleringer af frimærkedesign, ændre tætheden af ​​kulstof nanorør dyrket på frimærket, samt tykkelsen af ​​det keramiske lag, som de brugte til at belægge hvert nanorør. De fandt ud af, at jo tyndere det keramiske lag og jo mere sparsomt var kulstofnanorørene, jo større frimærkets tænd/sluk-forhold, hvilket betyder, at jo større frimærkets klæbrighed var, når spændingen var tændt, i forhold til da den var slukket.

I deres eksperimenter, holdet brugte stemplet til at samle film af nanotråde op og ned, hver omkring 1, 000 gange tyndere end et menneskehår. De brugte også teknikken til at vælge og placere indviklede mønstre af polymer- og metalmikropartikler, samt mikro-LED'er.

Hart siger, at den elektroklæbende printteknologi kan skaleres op til fremstilling af printkort og systemer af elektroniske minichips, samt skærme med mikroskala LED-pixel.

"Med stadigt avancerede muligheder for halvlederenheder, et vigtigt behov og mulighed er at integrere mindre og mere forskelligartede komponenter, såsom mikroprocessorer, sensorer, og optiske enheder, " siger Hart. "Ofte, disse er nødvendigvis lavet separat, men skal integreres sammen for at skabe næste generations elektroniske systemer. Vores teknologi bygger muligvis bro over det kløft, der er nødvendigt for skalerbar, omkostningseffektiv montering af disse systemer."