Los componentes electrónicos activos suelen contener dispositivos semiconductores que reciben, almacenan y procesan información. Estos componentes, que deben fabricarse en una sala limpia, requieren una tecnología de fabricación avanzada que no está ampliamente disponible fuera de unos pocos centros de fabricación especializados. Los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) han desarrollado un fusible reiniciable impreso en 3D para facilitar su producción.
Los semiconductores, incluido el silicio, son materiales con propiedades eléctricas que se pueden modificar añadiendo ciertas impurezas. Un dispositivo de silicio puede tener regiones conductoras y aislantes, según cómo esté diseñado. Estas propiedades hacen que el silicio sea óptimo para producir transistores, que son un componente básico de la electrónica moderna.
Los dispositivos sin semiconductores desarrollados se fabricaron utilizando hardware de impresión 3D estándar y un material biodegradable y económico. Estos dispositivos pueden realizar las mismas funciones de conmutación que los transistores basados en semiconductores utilizados para operaciones de procesamiento en electrónica activa.
Transmisión de corriente eléctrica mediante un filamento de polímero
Este proyecto surgió de otro en el que fabricaban bobinas magnéticas mediante impresión por extrusión. Vieron un fenómeno interesante en el material que estaban utilizando, un filamento de polímero dopado con nanopartículas de cobre. Al pasar una gran cantidad de corriente eléctrica a través del material, este exhibiría un enorme pico de resistencia, pero volvería a su nivel original poco después de que se detuviera el flujo de corriente. Esta propiedad permite a los ingenieros fabricar transistores que pueden funcionar como interruptores, algo que normalmente solo se asocia con el silicio y otros semiconductores.
Los investigadores intentaron replicar el mismo fenómeno con otros filamentos de impresión 3D, probando polímeros dopados con carbono, nanotubos de carbono y grafeno. Al final, no pudieron encontrar otro material imprimible que pudiera funcionar como fusible reiniciable.
Los investigadores plantean la hipótesis de que las partículas de cobre del material se dispersan cuando se calienta con la corriente eléctrica, lo que provoca un pico de resistencia que vuelve a bajar cuando el material se enfría y las partículas de cobre se acercan. También creen que la base polimérica del material cambia de cristalina a amorfa cuando se calienta y luego vuelve a cristalina cuando se enfría, un fenómeno conocido como coeficiente de temperatura positivo polimérico.
Impresión 3D con polímero dopado de cobre
El equipo aprovechó el fenómeno para imprimir interruptores en un solo paso que pudieran usarse para formar puertas lógicas sin semiconductores. Los dispositivos están hechos de delgadas trazas impresas en 3D del polímero dopado con cobre, que contienen regiones conductoras que se entrecruzan y permiten a los investigadores regular la resistencia controlando el voltaje que se aplica al interruptor.
Si bien los dispositivos no funcionaban tan bien como los transistores de silicio, podían utilizarse para funciones de control y procesamiento más simples, como encender y apagar un motor. Sus experimentos demostraron que, incluso después de 4.000 ciclos de conmutación, los dispositivos no mostraban signos de deterioro.
Sin embargo, los investigadores tienen límites en cuanto al tamaño de los interruptores, según la física de la impresión por extrusión y las propiedades del material. Pueden imprimir dispositivos de unos pocos cientos de micrones, pero los transistores de los sistemas electrónicos de última generación tienen un diámetro de apenas unos pocos nanómetros.
A diferencia de la fabricación de semiconductores, su técnica utiliza un material biodegradable y el proceso consume menos energía y produce menos residuos. El filamento de polímero también podría estar dopado con otros materiales, como micropartículas magnéticas, que podrían permitir funcionalidades adicionales.