有時創(chuàng)新來自于一個簡單的巧合。這是麻省理工學(xué)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(qiáng)的抵抗力，一旦電流中斷，它就會恢復(fù)到其初始狀態(tài)。為什么這很重要？這一特性使得設(shè)計可以充當(dāng)開關(guān)的晶體管成為可能。麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)定了一個新目標(biāo)：開發(fā)第一個完全3D打印的固態(tài)、無半導(dǎo)體邏輯門，以及同樣3D打印的可復(fù)位保險絲。去年七月公布的結(jié)果證實(shí)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(shè)備依賴于半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體器件并不總是容易獲得，因?yàn)樗鼈兊纳�產(chǎn)需要專門的設(shè)施。COVID-19大流行也暴露了這種脆弱性，半導(dǎo)體制造中心的短缺導(dǎo)致許多電子產(chǎn)品的稀缺。

3D打印設(shè)備及其導(dǎo)熱系數(shù)的可視化（圖片來源：麻省理工學(xué)院）

不使用半導(dǎo)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(yīng)用還很遠(yuǎn)，但麻省理工學(xué)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)院的研究人員測試了各種用于3D打印的細(xì)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(xué)院關(guān)于他們工作的文章，“[研究人員]假設(shè)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(dǎo)致電阻增加，當(dāng)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(rèn)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(fù)到結(jié)晶狀態(tài)。

麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(MTL)的首席研究員、描述這些設(shè)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(yīng)。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(jī)。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(xiàng)技術(shù)具有真正的優(yōu)勢，”Velásquez-García說。“雖然我們可能無法與硅作為半導(dǎo)體競爭，但我們的目標(biāo)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(shí)是關(guān)于技術(shù)民主化。這使得任何人都可以制造智能設(shè)備，即使遠(yuǎn)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(xiàng)技術(shù)具有潛在的革命性。”他們的研究得出的結(jié)論是：“這項(xiàng)工作構(gòu)成了無半導(dǎo)體電子設(shè)備制造民主化的起點(diǎn)，并為創(chuàng)建智能和定制設(shè)備提供了直接的興趣，即使遠(yuǎn)離傳統(tǒng)的生產(chǎn)中心”。

麻省理工學(xué)院宣布，在不久的將來，研究人員計劃利用這項(xiàng)技術(shù)來打印功能齊全的電子元件。目前，他們的目標(biāo)是僅使用FDM 3D打印來設(shè)計磁電機(jī)。此外，他們希望改進(jìn)工藝來創(chuàng)建更復(fù)雜的電路并探索這些設(shè)備的性能極限。

編譯整理：3dnatives

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