Morgondagens banbrytande teknik kommer att behöva elektronik som tål extrema förhållanden. Det är därför en grupp forskare ledda av Jason Nicholas från Michigan State University bygger starkare kretsar idag.

Nicholas och hans team har utvecklat mer värmetåliga silverkretsar med hjälp av nickel. Teamet beskrev arbetet den 15 april i journalen Scripta Materialia .

De typer av enheter som MSU-teamet arbetar för att gynna — nästa generations bränsleceller, högtemperatur halvledare och fastoxidelektrolysceller-kan ha applikationer i bilen, energi- och flygindustrin.

Även om du inte kan köpa dessa enheter från hyllan nu, forskare bygger för närvarande dem i laboratorier för att testa i den verkliga världen, och även på andra planeter.

Till exempel, NASA utvecklade en elektrolyscell med fast oxid som gjorde det möjligt för Mars 2020 Perseverance Rover att tillverka syre från gas i Mars atmosfär den 22 april. NASA hoppas att denna prototyp en dag kommer att leda till utrustning som gör det möjligt för astronauter att skapa raketbränsle och andningsbar luft medan de är på Mars .

För att hjälpa sådana prototyper att bli kommersiella produkter, fastän, de måste behålla sin prestanda vid höga temperaturer under långa tidsperioder, sa Nicholas, en docent vid Ingenjörshögskolan.

Han drogs till detta område efter år av att ha använt bränsleceller med fast oxid, som fungerar som fastoxidelektrolysceller omvänt. Istället för att använda energi för att skapa gaser eller bränsle, de skapar energi från dessa kemikalier.

"Bränsleceller med fasta oxid arbetar med gaser vid hög temperatur. Vi kan elektrokemiskt reagera dessa gaser för att få ut el och den processen är mycket effektivare än exploderande bränsle som en förbränningsmotor gör, "sade Nicholas, som leder ett laboratorium på avdelningen för kemiteknik och materialvetenskap.

Men även utan explosioner, bränslecellen måste klara intensiva arbetsförhållanden.

"Dessa enheter fungerar vanligtvis runt 700 till 800 grader Celsius, och de måste göra det under lång tid—40, 000 timmar under sin livstid, "Sade Nicholas. För jämförelse, det är ungefär 1, 300 till 1, 400 grader Fahrenheit, eller ungefär dubbelt så hög temperatur som en kommersiell pizzaugn.

"Och under den livstid, du termiskt cyklar den, " sa Nicholas. "Du kyler ner den och värmer upp den igen. Det är en väldigt extrem miljö. Du kan få kretsledningar att hoppa av."

Således, ett av hindren för denna avancerade teknik är ganska rudimentärt:de ledande kretsarna, ofta gjorda av silver, måste fästa bättre vid de underliggande keramiska komponenterna.

Hemligheten för att förbättra vidhäftningen, fann forskarna, skulle tillsätta ett mellanliggande lager av poröst nickel mellan silvret och keramiken.

Genom att utföra experiment och datorsimuleringar av hur materialen interagerar, teamet optimerade hur det avsatte nickel på keramiken. Och för att skapa det tunna, porösa nickelskikt på keramiken i ett mönster eller design som de själva väljer, forskarna övergick till screentryck.

"Det är samma screentryck som används för att göra t-shirts, ", sa Nicholas. "Vi screentrycker bara elektronik istället för skjortor. Det är en mycket tillverkningsvänlig teknik."

När nickeln väl är på plats, teamet sätter det i kontakt med silver som har smält vid en temperatur på cirka 1, 000 grader Celsius. Nickeln tål inte bara den värmen - dess smältpunkt är 1, 455 grader Celsius – men det fördelar också det flytande silvret jämnt över dess fina egenskaper med hjälp av vad som kallas kapillärverkan.

"Det är nästan som ett träd, "Sade Nicholas." Ett träd får vatten upp till sina grenar via kapillärverkan. Nicklet suger upp det smälta silvret via samma mekanism."

När silvret svalnar och stelnar, nickeln håller den låst på keramiken, även i värmen på 700 till 800 grader Celsius skulle den vara vänd inuti en bränslecell med fast oxid eller en elektrolyscell med fast oxid. Och detta tillvägagångssätt har också potential att hjälpa andra tekniker, där elektroniken kan bli varm.

"Det finns en mängd olika elektroniska applikationer som kräver kretskort som tål höga temperaturer eller hög effekt, sa Jon Debling, en teknikchef hos MSU Technologies, Michigan States kontor för tekniköverföring och kommersialisering. "Dessa inkluderar befintliga applikationer inom bilindustrin, flyg, industriella och militära marknader, men också nyare som solceller och bränsleceller med fast oxid."

Som teknikchef, Debling arbetar för att kommersialisera spartanska innovationer och han arbetar för att hjälpa till att patentera denna process för att skapa tuffare elektronik.

"Denna teknik är en betydande förbättring - i kostnads- och temperaturstabilitet - jämfört med befintlig pasta- och ångavsättningsteknik, " han sa.

För hans del, Nicholas är fortfarande mest intresserad av dessa banbrytande applikationer vid horisonten, saker som bränsleceller med fast oxid och elektrolysceller med fast oxid.

"Vi arbetar för att förbättra deras tillförlitlighet här på jorden - och på Mars, " sa Nicholas.