有時創(chuàng)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(fā)現(xiàn)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(tài)。為什么這很重要？這一特性使得設計可以充當開關(guān)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(fā)第一個完全3D打印的固態(tài)、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(jié)果證實了他們的成功。

邏輯門是數(shù)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(diào)整。例如，硅可以被修改以創(chuàng)建導電或絕緣區(qū)域，使其成為制造晶體管（現(xiàn)代電子產(chǎn)品的關(guān)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(chǎn)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(chǎn)品的稀缺。

3D打印設備及其導熱系數(shù)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(guī)模的電子產(chǎn)品生產(chǎn)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(jīng)通過3D打印這些邏輯門的開關(guān)邁出了關(guān)鍵一步。人們發(fā)現(xiàn)，這種制造工藝比傳統(tǒng)的半導體生產(chǎn)更節(jié)能，產(chǎn)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(jù)麻省理工學院關(guān)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(chǎn)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(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形，然后在冷卻時恢復到結(jié)晶狀態(tài)。

麻省理工學院微系統(tǒng)技術(shù)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(fā)生反應。盡管該器件的功能不如硅晶體管，但它仍然能夠執(zhí)行簡單的控制功能，例如打開和關(guān)閉電機。此外，經(jīng)過4,000次測試，晶體管沒有表現(xiàn)出退化跡象。

3D打印電子產(chǎn)品未來會重見天日嗎？

“這項技術(shù)具有真正的優(yōu)勢，”Velásquez-García說?！半m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(xiàn)有技術(shù)，而是探索3D打印的新可能性。簡而言之，這確實是關(guān)于技術(shù)民主化。這使得任何人都可以制造智能設備，即使遠離傳統(tǒng)的生產(chǎn)中心。?

研究人員在《虛擬和物理原型》雜志上發(fā)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(shù)具有潛在的革命性?！彼麄兊难芯康贸龅慕Y(jié)論是：“這項工作構(gòu)成了無半導體電子設備制造民主化的起點，并為創(chuàng)建智能和定制設備提供了直接的興趣，即使遠離傳統(tǒng)的生產(chǎn)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(shù)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(chuàng)建更復雜的電路并探索這些設備的性能極限。

編譯整理：3dnatives