Eletrônica sem semicondutores e feita em casa? É possível

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/11/2024

Os componentes eletrônicos são formados por traços finos impressos em 3D, usando um polímero dopado com cobre.
[Imagem: Jorge Cañada et al. - 10.1080/17452759.2024.2404157]

Impressão 3D de eletrônicos

A cultura maker, ou faça-você-mesmo, ganhou um impulso enorme com as impressoras 3D e os kits de computadores de baixo custo, como Arduino e Raspberry, mas fazer um circuito eletrônico dedicado e totalmente otimizado é outra história.

Os circuitos eletrônicos são formados por componentes semicondutores que devem ser feitos em salas limpas, exigindo tecnologias de fabricação avançadas e de altíssima precisão, algo que não está disponível para hobistas e aficcionados do faça-você-mesmo.

Mas Jorge Cañada e Luis García, do MIT, nos EUA, acreditam que dá para mudar esse quadro, colocando a microeletrônica à disposição dos interessados usando justamente a impressão 3D.

A capacidade de imprimir em 3D um dispositivo eletrônico inteiro, sem a necessidade de semicondutores, pode viabilizar a fabricação de protótipos para empresas, eletrônicos para laboratórios e qualquer gerigonça que alguém possa imaginar ou tentar automatizar.

Embora essa ideia ainda esteja bem à frente no futuro, os pesquisadores deram uma demonstração dessa possibilidade criando fusíveis rearmáveis totalmente impressos em 3D, que são componentes-chave de eletrônicos ativos e que geralmente requerem semicondutores.

Protótipos construídos pela equipe.
[Imagem: Jorge Cañada et al. - 10.1080/17452759.2024.2404157]

Eletrônica biodegradável

Os dispositivos sem semicondutores, que foram fabricados com um material barato e biodegradável, podem executar as mesmas funções de comutação que os transistores baseados em semicondutores usados para operações de processamento de dados.

É claro que os componentes não atingem o desempenho dos transistores semicondutores industriais, mas os componentes impressos em 3D podem ser usados para operações básicas de controle, como regular a velocidade de um motor elétrico, por exemplo.

Já houve outras tentativas de fazer microeletrônica sem semicondutores, mas aquelas abordagens usam metamateriais, resultando em componentes maiores.

"Esta tecnologia tem pernas reais. Embora não possamos competir com o silício como semicondutor, nossa ideia não é necessariamente substituir o que já existe, mas levar a tecnologia de impressão 3D para um território desconhecido. Em poucas palavras, isso é realmente sobre democratizar a tecnologia. Isso pode permitir que qualquer um crie hardware inteligente longe dos centros de fabricação tradicionais," disse García.

Regiões condutoras de intersecção permitem regular a resistência elétrica, controlando o transístor sem semicondutor.
[Imagem: Jorge Cañada et al. - 10.1080/17452759.2024.2404157]

Transistores sem semicondutores

Os semicondutores, incluindo o silício, são materiais com propriedades elétricas que podem ser ajustadas adicionando certas "impurezas", em um processo chamado dopagem. Um componente de silício pode ter regiões condutoras e regiões isolantes, dependendo de quais elementos são adicionados onde. É isso que torna o silício ideal para fabricar transistores, os blocos de construção básicos da eletrônica moderna.

A dupla imitou isto partindo de um trabalho anterior, no qual eles fabricaram bobinas magnéticas usando impressão por extrusão, um processo em que a impressora derrete o filamento e esguicha material através de um bico, fabricando um objeto camada por camada.

Quando foram usar um filamento de polímero dopado com nanopartículas de cobre, os pesquisadores observaram por acaso um fenômeno interessante: Quando uma forte corrente elétrica é passada no material, ele apresenta um grande pico de resistência, retornando ao seu nível original logo após o fluxo de corrente cessar.

Essa propriedade inesperada permitiu a fabricação de interruptores, nos quais o aumento da resistência elétrica equivale a desligar a corrente. E é justamente isto o que fazem os transistores, cujos 0s e 1s são representados pela passagem ou não de corrente elétrica. E transistores, que ligam e desligam para processar dados binários, são usados para formar portas lógicas, que realizam toda a nossa computação.

"Vimos que isso era algo que poderia ajudar a levar o hardware de impressão 3D para o próximo nível. Ele oferece uma maneira clara de fornecer algum grau de 'inteligência' a um dispositivo eletrônico," disse García.

O funcionamento ainda não é bem compreendido, mas os componentes são robustos.
[Imagem: Jorge Cañada et al. - 10.1080/17452759.2024.2404157]

De amorfo para cristalino

Os pesquisadores levantam a hipótese de que as partículas de cobre no material se espalham quando ele é aquecido pela corrente elétrica, o que causa um pico na resistência, que volta a cair quando o material esfria e as partículas de cobre se aproximam.

Eles também acreditam que a base polimérica do material muda de cristalina para amorfa quando aquecida, então retorna para cristalina quando resfriada, o que transforma o polímero de impressão em um material de mudança de fase - o fenômeno é conhecido como coeficiente de temperatura positivo polimérico.

A coisa não funcionou quando eles tentaram substituir as nanopartículas de cobre por carbono, incluindo grafeno e nanotubos.

Os pesquisadores agora pretendem usar sua tecnologia de impressão 3D de eletrônicos para imprimir circuitos totalmente funcionais. Eles estão trabalhando especificamente para fabricar um motor magnético funcional usando apenas impressão 3D por extrusão, mas também querem refinar o processo para que possam construir circuitos mais complexos.

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