Si abriera su teléfono inteligente, vería una serie de chips y componentes electrónicos dispuestos sobre una placa de circuito, como una miniciudad. Cada componente podría contener “chiplets” aún más pequeños, algunos no más anchos que un cabello humano. Estos elementos suelen ensamblarse con pinzas robóticas diseñadas para recoger los componentes y colocarlos en configuraciones precisas.
Sin embargo, a medida que las placas de circuito se llenan de componentes cada vez más pequeños, la capacidad de las pinzas robóticas para manipular estos objetos se acerca a un límite.
“La fabricación electrónica requiere manipular y ensamblar componentes pequeños de un tamaño similar o inferior al de los granos de harina”, afirma Sanha Kim, antiguo investigador posdoctoral y científico investigador del MIT, que trabajó en el laboratorio del profesor asociado de ingeniería mecánica John Hart. “Por ello, se necesita una solución especial de recogida y colocación, en lugar de simplemente miniaturizar [las pinzas robóticas y los sistemas de vacío existentes]”.
Ahora, Kim, Hart y otros colegas han desarrollado un sello miniatural “electroadhesivo” capaz de recoger y colocar objetos de apenas 20 nanómetros de ancho, unas 1.000 veces más finos que un cabello humano. El sello está formado por un denso bosque de nanotubos de carbono recubiertos de cerámica, dispuestos como las cerdas de un pequeño cepillo.
Cuando se aplica una pequeña tensión al sello, los nanotubos de carbono se cargan temporalmente y forman púas de atracción eléctrica capaces de atraer una partícula minúscula. Al desconectar la tensión, la “adhesividad” del sello desaparece, lo que le permite liberar el objeto en la ubicación deseada.
Hart afirma que la técnica de estampado puede escalarse a un entorno de fabricación para imprimir características micro y nanométricas, por ejemplo, para incorporar más elementos en chips informáticos cada vez más pequeños. La técnica también podría emplearse para estampar otras características pequeñas e intrincadas, como las células para tejidos artificiales. Además, el equipo prevé superficies electroadhesivas macroscópicas de inspiración biológica, como almohadillas activadas por tensión para agarrar objetos cotidianos y para robots trepadores de tipo gecko.
“Basta con controlar la tensión para pasar la superficie de prácticamente no tener adhesión a tirar de algo con tanta fuerza, por unidad de área, que puede actuar de forma similar a la pata de un gecko”, afirma Hart.
El equipo ha publicado hoy sus resultados en la revista Science Advances.
Como la cinta adhesiva seca
Las pinzas mecánicas existentes no pueden recoger objetos de menos de unas 50 a 100 micras, principalmente porque, a escalas menores, las fuerzas superficiales tienden a imponerse a la gravedad. Esto puede observarse al verter harina desde una cuchara: inevitablemente, algunas partículas diminutas se adhieren a la superficie de la cuchara en lugar de dejar que la gravedad las arrastre.
“El predominio de las fuerzas superficiales sobre las fuerzas gravitatorias se convierte en un problema cuando se intenta colocar con precisión objetos más pequeños, que es el proceso fundamental mediante el cual los componentes electrónicos se ensamblan en sistemas integrados”, afirma Hart.
Él y sus colegas señalaron que la electroadhesión, el proceso de adherir materiales mediante una tensión aplicada, se ha utilizado en algunos entornos industriales para recoger y colocar objetos grandes, como tejidos, textiles y obleas de silicio completas. Sin embargo, nunca se había aplicado esta misma electroadhesión a objetos a nivel microscópico, porque era necesario un nuevo diseño de material para controlar la electroadhesión a escalas menores.
El grupo de Hart ya había trabajado con nanotubos de carbono (CNT, por sus siglas en inglés), átomos de carbono unidos en un patrón de red y enrollados en tubos microscópicos. Los CNT son conocidos por sus excepcionales propiedades mecánicas, eléctricas y químicas, y han sido ampliamente estudiados como adhesivos secos.
“El trabajo previo sobre adhesivos secos basados en CNT se centró en maximizar el área de contacto de los nanotubos para crear, en esencia, una cinta adhesiva seca”, afirma Hart. “Nosotros adoptamos el enfoque opuesto y dijimos: ‘diseñemos una superficie de nanotubos que minimice el área de contacto, pero que utilice la electrostática para activar la adhesión cuando la necesitemos’”.
Un interruptor de adhesión on/off
El equipo descubrió que, si recubrían los CNT con una fina capa de material dieléctrico, como el óxido de aluminio, al aplicar una tensión a los nanotubos, la capa cerámica se polarizaba, es decir, sus cargas positivas y negativas se separaban temporalmente. Por ejemplo, las cargas positivas de las puntas de los nanotubos inducían una polarización opuesta en cualquier material conductor cercano, como un elemento electrónico microscópico.
Como resultado, el sello basado en nanotubos se adhería al elemento, recogiéndolo como unos diminutos dedos electrostáticos. Cuando los investigadores desconectaban la tensión, los nanotubos y el elemento se despolarizaban, la “adhesividad” desaparecía y el sello podía separarse y colocar el objeto sobre una superficie determinada.
El equipo exploró diversas formulaciones de diseños de sello, variando la densidad de los nanotubos de carbono cultivados sobre el sello, así como el grosor de la capa cerámica con la que recubrían cada nanotubo. Descubrieron que cuanto más fina era la capa cerámica y más dispersos estaban los nanotubos de carbono, mayor era la relación de encendido/apagado del sello, es decir, mayor era su adhesividad cuando la tensión estaba activada frente a cuando estaba desactivada.
En sus experimentos, el equipo utilizó el sello para recoger y colocar películas de nanohilos, cada una de unas 1.000 veces más finas que un cabello humano. También emplearon la técnica para recoger y colocar patrones intrincados de micropartículas de polímero y metal, así como microLED.
Hart afirma que la tecnología de impresión electroadhesiva podría escalarse para fabricar placas de circuito y sistemas de chips electrónicos miniaturizados, así como pantallas con píxeles LED a microescala.
“Con las capacidades cada vez mayores de los dispositivos semiconductores, una necesidad y una oportunidad importantes consisten en integrar componentes más pequeños y más diversos, como microprocesadores, sensores y dispositivos ópticos”, afirma Hart. “Con frecuencia, estos deben fabricarse por separado, pero deben integrarse entre sí para crear sistemas electrónicos de nueva generación. Nuestra tecnología podría salvar la brecha necesaria para el ensamblaje escalable y rentable de estos sistemas.”
Esta investigación contó en parte con el respaldo del Toyota Research Institute, la National Science Foundation y el programa MIT-Skoltech Next Generation.
