Активная электроника включает в себя компоненты, способные управлять электрическими сигналами, чаще всего с использованием полупроводниковых устройств, которые получают, хранят и обрабатывают данные. Производство этих компонентов требует чистых помещений и передовых технологий, доступных лишь в нескольких специализированных центрах.
Во время пандемии Covid-19 нехватка мощностей для производства полупроводников стала одной из причин глобального дефицита электроники, что привело к росту цен для потребителей и оказало влияние на различные сферы, от экономического роста до национальной безопасности. Возможность 3D-печати целых активных электронных устройств без полупроводников может сделать производство электроники доступным в предприятиях, лабораториях и домашних условиях по всему миру.
Созданные учеными бесполупроводниковые устройства, изготовленные с использованием стандартных 3D-принтеров и недорогого биоразлагаемого материала, могут выполнять функции переключения, аналогичные тем, что выполняют полупроводниковые транзисторы в активной электронике.
Хотя 3D-печатные устройства пока не достигают уровня производительности полупроводниковых транзисторов, они могут использоваться для базовых операций управления, таких как регулирование скорости электродвигателя.
Исследование началось с другого проекта, в рамках которого ученые изготавливали магнитные катушки с помощью экструзионной 3D-печати. Во время экспериментов они обнаружили интересное явление в полимерной нити, легированной наночастицами меди.
Когда через этот материал пропускался электрический ток, он демонстрировал резкое изменение сопротивления, возвращаясь к исходному уровню после прекращения тока.
Это свойство позволяет инженерам создавать транзисторы, функционирующие как переключатели, что обычно ассоциируется только с кремниевыми и другими полупроводниковыми материалами. Такие транзисторы, которые могут включаться и выключаться для обработки двоичных данных, образуют логические вентели, используемые в вычислениях.
Исследователи попробовали воспроизвести аналогичное явление с другими типами нитей для 3D-печати, тестируя полимеры, легированные углеродом, углеродными нанотрубками и графеном, однако не смогли найти другой подходящий материал для создания сбрасываемых предохранителей.
Они предполагают, что медные частицы в материале распределяются при нагреве электрическим током, что вызывает изменение сопротивления, и это состояние восстанавливается при охлаждении. Также они считают, что при нагреве полимерная основа материала переходит из кристаллической в аморфную и обратно — явление, известное как полимерный положительный температурный коэффициент.
В будущем исследователи планируют использовать эту технологию для создания полностью функциональной электроники. Они стремятся напечатать рабочий магнитный двигатель, применяя только экструзионную 3D-печать. Также они хотят оптимизировать процесс для создания более сложных схем и повышения производительности устройств.
