Onderzoekers van Duke University en North Carolina State University hebben de eerste op maat gemaakte halfgeleidermicrodeeltjes gedemonstreerd die herhaaldelijk in verschillende configuraties kunnen worden gestuurd terwijl ze in water zijn gesuspendeerd.

Met een eerste zes aangepaste deeltjes die voorspelbaar met elkaar interageren in de aanwezigheid van wisselstroom (AC) elektrische velden met verschillende frequenties, de studie presenteert de eerste stappen naar het realiseren van geavanceerde toepassingen zoals kunstmatige spieren en herconfigureerbare computersystemen.

De studie verschijnt op 3 mei online in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"We hebben meerdere dynamische reacties ontwikkeld en gecodeerd in verschillende microdeeltjes om een ​​herconfigureerbare siliconen toolbox te creëren, " zei Ugonna Ohiri, een onlangs afgestudeerde elektrotechnische doctoraatsstudent van Duke en eerste auteur van het artikel. "Door een manier te bieden om deze deeltjes gecontroleerd te monteren en te demonteren, we brengen een nieuw hulpmiddel op het gebied van actieve materie."

Terwijl eerdere onderzoekers hebben gewerkt aan het definiëren van zelfassemblerende systemen, weinigen hebben met halfgeleiderdeeltjes gewerkt, en niemand heeft het brede scala aan aangepaste vormen verkend, maten en coatings die beschikbaar zijn voor de micro- en nanofabricage-industrie. Technische deeltjes uit silicium bieden de mogelijkheid om elektronische apparaten fysiek te realiseren die op verzoek zelf kunnen worden gemonteerd en gedemonteerd. Het aanpassen van hun vormen en maten biedt kansen om een ​​brede ontwerpruimte van nieuw beweeglijk gedrag te verkennen.

"Het meeste eerdere werk dat is uitgevoerd met zelfassemblerende deeltjes is gedaan met vormen zoals bollen en andere kant-en-klare materialen, " zei Nan Jokerst, de J.A. Jones hoogleraar elektrische en computertechniek aan Duke. "Nu we elke willekeurige vorm kunnen aanpassen, elektrische eigenschappen en patrooncoatings die we willen met silicium, er gaat een hele nieuwe wereld open."

In de studie, Jokerst en Ohiri vervaardigden siliciumdeeltjes in verschillende vormen, afmetingen en elektrische eigenschappen. In samenwerking met Orlin Velev, de INVISTA-hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan NC State, ze karakteriseerden hoe deze deeltjes reageerden op verschillende magnitudes en frequenties van elektrische velden terwijl ze ondergedompeld waren in water.

Op basis van deze observaties, de onderzoekers fabriceerden vervolgens nieuwe batches op maat gemaakte deeltjes die waarschijnlijk het gedrag vertoonden waarnaar ze op zoek waren, resulterend in zes verschillende samengestelde samenstellingen van siliciummicrodeeltjes die door water kunnen bewegen, synchroniseren hun bewegingen, en omkeerbaar monteren en demonteren op aanvraag.

De dunne filmdeeltjes zijn rechthoeken van 10 micron bij 20 micron die 3,5 micron dik zijn. Ze zijn vervaardigd met behulp van Silicon-on-Insulator (SOI) technologie. Omdat ze kunnen worden gemaakt met dezelfde fabricagetechnologie die geïntegreerde schakelingen produceert, miljoenen identieke deeltjes kunnen tegelijkertijd worden geproduceerd.

"Het idee is dat we uiteindelijk silicium computersystemen kunnen maken die assembleren, demonteren en vervolgens weer in elkaar zetten in een ander formaat, " zei Jokerst. "Dat is nog ver weg in de toekomst, maar dit werk geeft een idee van de mogelijkheden die er zijn en is de eerste demonstratie van hoe we dat soort apparaten kunnen bereiken."

Dat is, echter, slechts het topje van de spreekwoordelijke ijsberg. Sommige deeltjes werden gefabriceerd met zowel p-type als n-type gebieden om pn-overgangen te creëren - gemeenschappelijke elektrische componenten die elektriciteit in slechts één richting laten passeren. Er werden ook kleine metalen patronen op de oppervlakken van de deeltjes geplaatst om pn-junctiediodes met contacten te creëren. In de toekomst, onderzoekers zouden zelfs deeltjes met patronen kunnen ontwerpen met behulp van andere elektrisch geleidende of isolerende materialen, complexe geïntegreerde schakelingen, of microprocessors op of in het silicium.

"Dit werk is slechts een kleine momentopname van de hulpmiddelen die we hebben om de deeltjesdynamiek te beheersen, " zei Ohiri. "We hebben nog niet eens het oppervlak bekrast van al het gedrag dat we kunnen ontwikkelen, maar we hopen dat deze multidisciplinaire studie kan leiden tot toekomstige studies om kunstmatige actieve materialen te ontwerpen."