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“电动胶粘剂”邮票拾起并放下微观结构

2020-01-18 11:52:34    来源:    我来说两句()
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 如果要撬开智能手机,您会看到一系列电子芯片和组件分布在整个电路板上,例如微型城市。每个组件可能包含甚至更小的“小芯片”,有些不比人类的头发宽。这些元件通常与机械手一起组装,这些机械手被设计用来拾取组件并将它们放置在精确的配置中。

但是,由于电路板上装有越来越小的组件,因此机器人抓取器操纵这些物体的能力正接近极限。

麻省理工学院前博士后,研究科学家,曾在机械工程副教授约翰·哈特(John Hart)实验室工作的桑哈·金(Sanha Kim)说:“电子制造需要处理和组装尺寸类似于或小于面粉颗粒的小部件。” “因此,需要一种特殊的取放解决方案,而不是简单地使(现有的)机械手和真空系统小型化。”

现在,金,哈特和其他人已经开发出一种微型“电胶”印章,该印章可以拾起和放下20纳米宽的物体,比人的头发细约1,000倍。邮票由稀疏的森林覆盖着,陶瓷覆盖的碳纳米管像刷毛一样排列在细小的刷子上。

当向印模施加小的电压时,碳纳米管会暂时带电,形成可吸引微小颗粒的电吸引点。通过关闭电压,印章的“粘性”消失,使印章可以将物体释放到所需位置。

哈特说,冲压技术可以扩大到制造设置,以印刷微米和纳米级的特征,例如将更多的元素封装到越来越小的计算机芯片上。该技术还可以用于图案化其他小的复杂特征,例如用于人造组织的细胞。并且,该小组设想了具有生物启发意义的宏观电粘附表面,例如用于抓紧日常物品和壁虎式攀爬机器人的电压激活垫。

哈特说:“仅通过控制电压,您就可以将表面从基本上没有附着力的状态切换为以单位面积为单位强力拉扯某种东西,从而使其表面有些像壁虎的脚。”

该小组今天在《科学进展》杂志上发表了其研究结果。

像干透明胶带

现有的机械抓手无法拾取小于约50至100微米的物体,主要是因为在较小的比例下,表面力往往会克服重力。从勺子倒面粉时,您可能会看到这一点-不可避免地,一些细小颗粒会粘在勺子的表面上,而不是让重力将其拖走。

哈特说:“当试图精确放置较小的物体时,表面力相对于重力的优势成为一个问题-这是将电子设备组装成集成系统的基础过程。”

他和他的同事指出,电粘附是通过施加电压粘附材料的过程,在某些工业环境中已被用于拾取和放置大型物体,例如织物,纺织品和整个硅片。但是,这种相同的电粘附力从未应用于微观水平的物体,因为需要一种用于控制小规模电粘附力的新材料设计。

哈特(Hart)的小组以前曾与碳纳米管(CNTs)合作-碳原子以晶格状连接并卷成细管。碳纳米管以其出色的机械,电学和化学性能而闻名,并且已被广泛研究用作干胶。

哈特说:“以前基于CNT的干胶的工作集中在最大程度地增加纳米管的接触面积,从而基本上形成干的透明胶带。” “我们采取了相反的方法,并说,'让我们设计一个纳米管表面来最大程度地减少接触面积,但是在需要时使用静电打开粘合力。”

粘性开/关开关

研究小组发现,如果他们用诸如氧化铝之类的薄介电材料覆盖CNT,当他们对纳米管施加电压时,陶瓷层就会极化,这意味着其正负电荷会暂时分离。例如,纳米管尖端的正电荷在任何附近的导电材料(例如微观电子元件)中感应出相反的极化。

结果,基于纳米管的印模粘附在元件上,像细小的静电手指一样将其拾起。当研究人员关闭电压时,纳米管和元素被去极化,“粘性”消失,使印章脱离并将物体放置在给定的表面上。

该团队探索了各种邮票设计配方,从而改变了在邮票上生长的碳纳米管的密度,以及用于覆盖每个纳米管的陶瓷层的厚度。他们发现,陶瓷层越薄,碳纳米管的间距越稀疏,印模的开/关比就越大,这意味着当电压接通时与不闭合时,印模的粘性越大。

在他们的实验中,研究小组使用印章拾取和放置了纳米线薄膜,每个薄膜的厚度比人的头发细1,000倍。他们还使用该技术来拾取和放置复杂的聚合物和金属微粒以及微型LED图案。

哈特说,电胶印刷技术可以扩大规模,以制造电路板和微型电子芯片系统,以及带有微型LED像素的显示器。

哈特说:“随着半导体器件功能的不断发展,一个重要的需求和机遇是集成更小,更多样化的组件,例如微处理器,传感器和光学器件。” “通常,它们必须分开制造,但必须集成在一起以创建下一代电子系统。我们的技术可能弥合了可伸缩,经济高效地组装这些系统所需的空白。”

这项研究得到了丰田研究机构,美国国家科学基金会和麻省理工学院-Skoltech下一代计划的部分支持。

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