Als je je smartphone zou openwrikken, je zou een reeks elektronische chips en componenten op een printplaat zien liggen, als een miniatuurstad. Elk onderdeel bevat mogelijk nog kleinere "chiplets, " sommige niet breder dan een mensenhaar. Deze elementen worden vaak geassembleerd met robotgrijpers die zijn ontworpen om de componenten op te pakken en in nauwkeurige configuraties neer te zetten.

Omdat printplaten vol zitten met steeds kleinere componenten, echter, Het vermogen van robotgrijpers om deze objecten te manipuleren nadert een limiet.

"De productie van elektronica vereist het hanteren en assembleren van kleine componenten in een grootte die vergelijkbaar is met of kleiner is dan meelkorrels, " zegt Sanha Kim, een voormalig MIT-postdoc en onderzoekswetenschapper die werkte in het laboratorium van werktuigbouwkundig universitair hoofddocent John Hart. "Er is dus een speciale pick-and-place-oplossing nodig, in plaats van simpelweg [bestaande] robotgrijpers en vacuümsystemen te miniaturiseren."

Nu Kim, Hart, en anderen hebben een miniatuur "electrahesieve" stempel ontwikkeld die objecten van slechts 20 nanometer breed kan oppakken en neerleggen - ongeveer 1, 000 keer fijner dan een mensenhaar. De stempel is gemaakt van een dun bos van keramisch gecoate koolstofnanobuisjes die als borstelharen op een klein borsteltje zijn gerangschikt.

Wanneer een kleine spanning op de stempel wordt toegepast, de koolstofnanobuisjes worden tijdelijk opgeladen, vormen prikkels van elektrische aantrekkingskracht die een minuscuul deeltje kunnen aantrekken. Door de spanning uit te schakelen, de "plakkerigheid" van de stempel verdwijnt, waardoor het het object op een gewenste locatie kan vrijgeven.

Hart zegt dat de stempeltechniek kan worden opgeschaald naar een productieomgeving om functies op micro- en nanoschaal af te drukken. bijvoorbeeld om meer elementen op steeds kleinere computerchips te verpakken. De techniek kan ook worden gebruikt om andere kleine, ingewikkelde functies, zoals cellen voor kunstmatige weefsels. En, het team stelt zich macroschaal voor, bio-geïnspireerde elektroadhesieve oppervlakken, zoals door spanning geactiveerde pads voor het grijpen van alledaagse voorwerpen en voor gekko-achtige klimrobots.

"Gewoon door de spanning te regelen, je kunt het oppervlak veranderen van in principe geen hechting naar iets dat zo sterk trekt, per oppervlakte-eenheid, dat het een beetje kan werken als een gekko's voet, ' zegt Hart.

Het team heeft zijn resultaten vandaag gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Zoals droge plakband

Bestaande mechanische grijpers zijn niet in staat om objecten kleiner dan ongeveer 50 tot 100 micron op te pakken, vooral omdat op kleinere schaal oppervlaktekrachten de neiging hebben om de zwaartekracht te winnen. U kunt dit zien wanneer u bloem uit een lepel giet - onvermijdelijk, enkele kleine deeltjes plakken aan het oppervlak van de lepel, in plaats van ze door de zwaartekracht te laten meeslepen.

"De dominantie van oppervlaktekrachten over zwaartekrachten wordt een probleem bij het nauwkeurig plaatsen van kleinere dingen - wat het fundamentele proces is waarmee elektronica wordt geassembleerd tot geïntegreerde systemen, ' zegt Hart.

Hij en zijn collega's merkten op dat elektroadhesie, het proces van het hechten van materialen via een aangelegde spanning, is in sommige industriële omgevingen gebruikt om grote objecten op te pakken en te plaatsen, zoals stoffen, textiel, en hele siliciumwafels. Maar deze zelfde elektroadhesie was nog nooit toegepast op objecten op microscopisch niveau, omdat een nieuw materiaalontwerp nodig was om elektroadhesie op kleinere schaal te beheersen.

De groep van Hart heeft eerder gewerkt met koolstofnanobuizen (CNT's) - koolstofatomen die in een roosterpatroon zijn verbonden en in microscopische buizen zijn gerold. CNT's staan ​​bekend om hun uitzonderlijke mechanische, elektrisch, en chemische eigenschappen, en ze zijn op grote schaal bestudeerd als droge lijmen.

"Eerder werk aan op CNT gebaseerde droge lijmen was gericht op het maximaliseren van het contactoppervlak van de nanobuisjes om in wezen een droge plakband te creëren, " zegt Hart. "We hebben de tegenovergestelde benadering gekozen, en zei, 'laten we een nanobuisoppervlak ontwerpen om het contactoppervlak te minimaliseren, maar gebruik elektrostatica om hechting in te schakelen wanneer we het nodig hebben.'"

Een kleverige aan/uit-schakelaar

Het team ontdekte dat als ze CNT's bedekten met een dun diëlektrisch materiaal zoals aluminiumoxide, toen ze een spanning op de nanobuisjes aanbrachten, de keramische laag werd gepolariseerd, wat betekent dat de positieve en negatieve ladingen tijdelijk werden gescheiden. Bijvoorbeeld, de positieve ladingen van de uiteinden van de nanobuisjes veroorzaakten een tegengestelde polarisatie in elk nabijgelegen geleidend materiaal, zoals een microscopisch elektronisch element.

Als resultaat, de op nanobuisjes gebaseerde stempel die op het element is geplakt, het oppakken als klein, elektrostatische vingers. Toen de onderzoekers de spanning uitschakelden, de nanobuisjes en het element gedepolariseerd, en de "plakkerigheid" ging weg, waardoor de stempel kan worden losgemaakt en het object op een bepaald oppervlak kan worden geplaatst.

Het team onderzocht verschillende formuleringen van postzegelontwerpen, het veranderen van de dichtheid van koolstofnanobuizen die op de postzegel worden gekweekt, evenals de dikte van de keramische laag die ze gebruikten om elke nanobuis te coaten. Ze ontdekten dat hoe dunner de keramische laag en hoe schaarser de koolstofnanobuisjes waren, hoe groter de aan/uit-verhouding van de postzegel, wat betekent dat hoe groter de plakkerigheid van de stempel was toen de spanning aan stond, versus wanneer het uit was.

In hun experimenten, het team gebruikte de stempel om films van nanodraden op te pakken en neer te leggen, elk ongeveer 1, 000 keer dunner dan een mensenhaar. Ze gebruikten de techniek ook om ingewikkelde patronen van polymeer- en metalen microdeeltjes te kiezen en te plaatsen, evenals micro-LED's.

Hart zegt dat de elektroadhesieve printtechnologie kan worden opgeschaald om printplaten en systemen van elektronische miniatuurchips te vervaardigen. evenals displays met microschaal LED-pixels.

"Met de steeds geavanceerdere mogelijkheden van halfgeleiderapparaten, een belangrijke behoefte en kans is om kleinere en meer diverse componenten te integreren, zoals microprocessoren, sensoren, en optische apparaten, " zegt Hart. "Vaak, deze worden noodzakelijkerwijs afzonderlijk gemaakt, maar moeten samen worden geïntegreerd om elektronische systemen van de volgende generatie te creëren. Onze technologie overbrugt mogelijk de kloof die nodig is voor schaalbare, kosteneffectieve montage van deze systemen."