Forskare vid Duke University och North Carolina State University har demonstrerat de första anpassade halvledarmikropartiklarna som kan styras in i olika konfigurationer upprepade gånger medan de är suspenderade i vatten.

Med de första sex anpassade partiklarna som förutsägbart interagerar med varandra i närvaro av växelström (AC) elektriska fält med varierande frekvenser, studien presenterar de första stegen mot att förverkliga avancerade applikationer som konstgjorda muskler och omkonfigurerbara datorsystem.

Studien visas online den 3 maj i tidningen Naturkommunikation .

"Vi har konstruerat och kodat flera dynamiska svar i olika mikropartiklar för att skapa en omkonfigurerbar kiselverktygslåda, "sa Ugonna Ohiri, en nyutexaminerad doktorand inom elektroteknik från Duke och första författare till tidningen. "Genom att tillhandahålla ett sätt att styra montera och demontera dessa partiklar, Vi tar med ett nytt verktyg till området för aktiv materia. "

Medan tidigare forskare har arbetat med att definiera självmonteringssystem, få har arbetat med halvledarpartiklar, och ingen har utforskat det stora utbudet av anpassade former, storlekar och beläggningar som är tillgängliga för mikro- och nanofabrikationsindustrin. Tekniska partiklar från kisel ger möjlighet att fysiskt realisera elektroniska enheter som kan monteras och demonteras vid behov. Att anpassa deras former och storlekar ger möjligheter att utforska ett omfattande designutrymme med nya rörliga beteenden.

"De flesta tidigare arbeten som utförts med självmonterande partiklar har gjorts med former som sfärer och andra material från hyllan, "sa Nan Jokerst, J. A. Jones professor i el- och datateknik vid Duke. "Nu när vi kan anpassa oavsett godtyckliga former, elektriska egenskaper och mönstrade beläggningar vi vill ha med kisel, en helt ny värld öppnar sig. "

I studien, Jokerst och Ohiri tillverkade kiselpartiklar i olika former, storlekar och elektriska egenskaper. I samarbete med Orlin Velev, INVISTA -professorn i kemisk och biomolekylär teknik vid NC State, de karakteriserade hur dessa partiklar reagerade på olika storlekar och frekvenser av elektriska fält medan de var nedsänkta i vatten.

Baserat på dessa observationer, forskarna tillverkade sedan nya partier med anpassade partiklar som sannolikt skulle uppvisa de beteenden de letade efter, vilket resulterar i sex olika konstruerade kiselmikropartikelkompositioner som kan röra sig genom vatten, synkronisera deras rörelser, och monteras och demonteras reversibelt på begäran.

De tunna filmpartiklarna är 10 mikron vid 20 mikron rektanglar som är 3,5 mikron tjocka. De är tillverkade med Silicon-on-Isolator (SOI) -teknologi. Eftersom de kan tillverkas med samma tillverkningsteknik som producerar integrerade kretsar, miljontals identiska partiklar skulle kunna produceras åt gången.

"Tanken är att vi så småningom kommer att kunna göra kiselberäkningssystem som monteras, demontera och sedan sätta ihop igen i ett annat format, "sa Jokerst." Det är långt kvar i framtiden, men det här arbetet ger en känsla av de möjligheter som finns och är den första demonstrationen av hur vi kan uppnå den här typen av enheter. "

Det är, dock, bara toppen av det ordspråkliga isberget. Några av partiklarna tillverkades med både regioner av p-typ och n-typ för att skapa p-n-korsningar-vanliga elektriska komponenter som tillåter elektricitet att passera i endast en riktning. Små metallmönster placerades också på partiklarnas ytor för att skapa p-n-övergångsdioder med kontakter. I framtiden, forskare kan till och med konstruera partiklar med mönster med hjälp av andra elektriskt ledande eller isolerande material, komplexa integrerade kretsar, eller mikroprocessorer på eller i kislet.

"Detta arbete är bara en liten ögonblicksbild av de verktyg vi har för att kontrollera partikeldynamik, "sa Ohiri." Vi har inte ens repat ytan på alla beteenden som vi kan konstruera, men vi hoppas att denna tvärvetenskapliga studie kan vara banbrytande för framtida studier för att designa konstgjorda aktiva material. "