Om du skulle bända upp din smartphone, du skulle se en rad elektroniska chips och komponenter utlägga över ett kretskort, som en miniatyrstad. Varje komponent kan innehålla ännu mindre "chiplets, "vissa inte bredare än ett människohår. Dessa element är ofta monterade med robotgripare utformade för att plocka upp komponenterna och placera dem i exakta konfigurationer.

Eftersom kretskort är packade med allt mindre komponenter, dock, robotgriparnas förmåga att manipulera dessa objekt närmar sig en gräns.

"Elektroniktillverkning kräver hantering och montering av små komponenter i en storlek som liknar eller är mindre än mjölkorn, "säger Sanha Kim, en tidigare MIT postdoc och forskare som arbetade i labbet för maskinteknik docent John Hart. "Så det behövs en speciell pick-and-place-lösning, snarare än att bara miniatyrisera [befintliga] robotgripare och vakuumsystem. "

Nu Kim, Hjort, och andra har utvecklat en miniatyr "elektrodrasande" stämpel som kan plocka upp och placera föremål så små som 20 nanometer breda - cirka 1, 000 gånger finare än ett människohår. Stämpeln är gjord av en gles skog av keramiskt belagda kolnanorör arrangerade som borst på en liten pensel.

När en liten spänning appliceras på stämpeln, kolnanorören laddas tillfälligt, bildar pricklar av elektrisk attraktion som kan locka en liten partikel. Genom att stänga av spänningen, frimärkets "klibbighet" försvinner, gör det möjligt att släppa objektet på en önskad plats.

Hart säger att stämplingstekniken kan skalas upp till en tillverkningsinställning för att skriva ut mikro- och nanoskala funktioner, till exempel för att packa fler element på allt mindre datorchips. Tekniken kan också användas för att mönstra andra små, invecklade funktioner, såsom celler för konstgjorda vävnader. Och, laget föreställer sig makroskala, bioinspirerade elektrolytiska ytor, såsom spänningsaktiverade kuddar för att greppa vardagliga föremål och för geckoliknande klätterrobotar.

"Helt enkelt genom att kontrollera spänningen, du kan byta ytan från att i princip ha noll vidhäftning till att dra på något så starkt, per ytenhet, att det kan fungera lite som en geckos fot, "Säger Hart.

Teamet har publicerat sina resultat idag i tidningen Vetenskapliga framsteg .

Som torrt tejp

Befintliga mekaniska gripare kan inte plocka upp föremål som är mindre än cirka 50 till 100 mikron, främst för att vid mindre skalor tenderar ytkrafter att vinna över gravitationen. Du kanske ser detta när du häller mjöl från en sked - oundvikligen, några små partiklar fastnar på skedens yta, snarare än att låta gravitationen dra av dem.

"Ytkrafternas dominans över gravitationskrafterna blir ett problem när man försöker exakt placera mindre saker - vilket är den grundläggande process genom vilken elektronik sätts samman till integrerade system, "Säger Hart.

Han och hans kollegor noterade att elektrodesion, processen för vidhäftning av material via en applicerad spänning, har använts i vissa industriella miljöer för att plocka och placera stora föremål, som tyg, textilier, och hela kiselskivor. Men samma elektrodesion hade aldrig tillämpats på objekt på mikroskopisk nivå, eftersom det krävdes en ny materialdesign för att styra elektrodesion i mindre skala.

Harts grupp har tidigare arbetat med kolnanorör (CNT) - kolatomer kopplade till ett gallermönster och rullat till mikroskopiska rör. CNT är kända för sin exceptionella mekaniska, elektrisk, och kemiska egenskaper, och de har studerats allmänt som torra lim.

"Tidigare arbete med CNT-baserade torra lim fokuserade på att maximera nanorörens kontaktyta för att i huvudsak skapa ett torrt tejp, "Säger Hart." Vi tog motsatsen, och sa, 'låt oss designa en nanorörsyta för att minimera kontaktytan, men använd elektrostatik för att slå på vidhäftning när vi behöver det. "

En klibbig strömbrytare

Teamet fann att om de belagde CNT med ett tunt dielektriskt material som aluminiumoxid, när de applicerade en spänning på nanorören, det keramiska skiktet blev polariserat, vilket betyder att dess positiva och negativa laddningar blev tillfälligt separerade. Till exempel, de positiva laddningarna av nanorörens spetsar framkallade en motsatt polarisering i något närliggande ledande material, såsom ett mikroskopiskt elektroniskt element.

Som ett resultat, den nanorörbaserade stämpeln vidhäftade till elementet, plockar upp det som litet, elektrostatiska fingrar. När forskarna stängde av spänningen, nanorören och elementet depolariserat, och "klibbigheten" försvann, låta stämpeln lossna och placera föremålet på en given yta.

Teamet undersökte olika formuleringar av frimärksdesigner, ändra tätheten av kolnanorör som odlas på stämpeln, samt tjockleken på det keramiska skiktet som de använde för att belägga varje nanorör. De fann att ju tunnare det keramiska lagret och de mer glest placerade kolnanorören var, ju större frimärks av/på -förhållande, vilket betyder att ju mer stämpelns klibbighet var när spänningen var på, kontra när den var avstängd.

I deras experiment, laget använde stämpeln för att plocka upp och lägga ner filmer av nanotrådar, var och en ca 1, 000 gånger tunnare än ett människohår. De använde också tekniken för att plocka och placera invecklade mönster av polymer- och metallmikropartiklar, samt mikro-lysdioder.

Hart säger att den elektrodesistiska trycktekniken kan skalas upp för att tillverka kretskort och system för elektroniska miniatyrchips, samt skärmar med mikroskala LED -pixlar.

"Med ständigt avancerade möjligheter för halvledarenheter, ett viktigt behov och en möjlighet är att integrera mindre och mer olika komponenter, såsom mikroprocessorer, sensorer, och optiska enheter, "Säger Hart." Ofta dessa är nödvändigtvis gjorda separat men måste integreras tillsammans för att skapa nästa generations elektroniska system. Vår teknik överbryggar möjligen klyftan som är nödvändig för skalbar, kostnadseffektiv montering av dessa system. "