麻省理工學院突破3D打印電子產品的界限

魔猴君  3D潮流   160天前

有時創新來自于一個簡單的巧合。這是麻省理工學院的研究人員在用富含銅納米粒子的聚合物絲3D打印磁性線圈時發現的。他們觀察到該材料的一個意想不到的特性：對電流有很強的抵抗力，一旦電流中斷，它就會恢復到其初始狀態。為什么這很重要？這一特性使得設計可以充當開關的晶體管成為可能。麻省理工學院的研究人員設定了一個新目標：開發第一個完全3D打印的固態、無半導體邏輯門，以及同樣3D打印的可復位保險絲。去年七月公布的結果證實了他們的成功。

邏輯門是數字電路的基本組件。通常，這些設備依賴于半導體，通常基于硅或其他材料，其電性能可以調整。例如，硅可以被修改以創建導電或絕緣區域，使其成為制造晶體管（現代電子產品的關鍵部分）的理想選擇。然而，值得注意的是，半導體器件并不總是容易獲得，因為它們的生產需要專門的設施。COVID-19大流行也暴露了這種脆弱性，半導體制造中心的短缺導致許多電子產品的稀缺。

3D打印設備及其導熱系數的可視化（圖片來源：麻省理工學院）

不使用半導體制造邏輯門的可能性為本地規模的電子產品生產開辟了新的前景。盡管這個想法距離具體應用還很遠，但麻省理工學院的研究人員已經通過3D打印這些邏輯門的開關邁出了關鍵一步。人們發現，這種制造工藝比傳統的半導體生產更節能，產生的廢物更少，這主要是由于使用了標準的3D打印硬件和摻銅聚合物，既便宜又可生物降解。

麻省理工學院的研究人員測試了各種用于3D打印的細絲，包括碳摻雜聚合物、碳納米管和石墨烯，但沒有任何效果。根據麻省理工學院關于他們工作的文章，“[研究人員]假設材料中存在的銅納米粒子在電流產生的熱量的作用下分散，導致電阻增加，當材料冷卻時電阻再次下降銅顆粒再次聚集在一起。他們還認為，該材料的聚合物基體會隨著熱量從結晶轉變為無定形，然后在冷卻時恢復到結晶狀態。

麻省理工學院微系統技術實驗室(MTL)的首席研究員、描述這些設備的研究的主要作者Luis Fernando Velásquez-García指出，需要更多的研究來理解為什么銅摻雜聚合物會以這種方式發生反應。盡管該器件的功能不如硅晶體管，但它仍然能夠執行簡單的控制功能，例如打開和關閉電機。此外，經過4,000次測試，晶體管沒有表現出退化跡象。

3D打印電子產品未來會重見天日嗎？

“這項技術具有真正的優勢，”Velásquez-García說。“雖然我們可能無法與硅作為半導體競爭，但我們的目標不一定是取代現有技術，而是探索3D打印的新可能性。簡而言之，這確實是關于技術民主化。這使得任何人都可以制造智能設備，即使遠離傳統的生產中心。?

研究人員在《虛擬和物理原型》雜志上發表的文章中指出，“通過材料擠出增材制造固有的定制性和可訪問性使這項技術具有潛在的革命性。”他們的研究得出的結論是：“這項工作構成了無半導體電子設備制造民主化的起點，并為創建智能和定制設備提供了直接的興趣，即使遠離傳統的生產中心”。

麻省理工學院宣布，在不久的將來，研究人員計劃利用這項技術來打印功能齊全的電子元件。目前，他們的目標是僅使用FDM 3D打印來設計磁電機。此外，他們希望改進工藝來創建更復雜的電路并探索這些設備的性能極限。

編譯整理：3dnatives