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(Noticias de Nanowerk) Sin duda, el listón era alto: en el proyecto de investigación Óxidos funcionales impresos en polímeros y papel (FOXIP para abreviar), debería ser posible imprimir transistores de película delgada en sustratos de papel o películas de PET. Los circuitos electrónicos con dichos elementos juegan un papel importante en el creciente Internet de las cosas (IoT), por ejemplo, como sensores en documentos, botellas, envases… – un mercado global valorado en miles de millones.
Si fuera posible producir tales transistores con óxidos de metales inorgánicos, esto abriría una gran cantidad de nuevas posibilidades. En comparación con materiales orgánicos como el polímero semiconductor politiofeno, explica el líder del proyecto Yaroslav Romanyuk del Laboratorio de Películas Delgadas y Fotovoltaica de Empa, los electrones en estos materiales son mucho más móviles. Por lo tanto, podrían aumentar significativamente el rendimiento de dichos elementos y no tendrían que protegerse del aire y la humedad mediante un costoso encapsulado.
el calor como reto
El problema con las tintas que contienen óxidos metálicos: para formar un transistor estable, los materiales deben sinterizarse después de la impresión, normalmente en un horno. Alternativamente, el secado y la sinterización se pueden realizar con luz, por ejemplo, con radiación UV de onda baja o una lámpara de xenón: la capa impresa se calienta con destellos de luz muy cortos para proteger el sustrato. El agua, los disolventes y los aglutinantes abandonan el material.
Sin embargo, tales procesos calientan el sustrato hasta 200 grados, demasiado para el papel o el PET, que ya comienza a perder su resistencia a temperaturas de alrededor de 80 grados, mientras que otros plásticos como las poliimidas pueden soportar temperaturas mucho más altas.
De 2017 a 2021, expertos de Empa, el Laboratorio de Transductores Blandos de la EPFL y el Grupo de Nanotecnología de Polímeros del Instituto Paul Scherrer (PSI) participarán en un proyecto de «Área de Enfoque Estratégico – Fabricación Avanzada» (SFA-AM) iniciado por el ETH Board trabajó en conjunto en todos los pasos del proceso: por ejemplo, recubrimientos para alisar la superficie del papel, formulaciones de tinta, irradiación… y logró un buen progreso.
Pero su «último deseo», como dice Romanyuk, de imprimir transistores funcionales de película delgada en papel no se cumplió: las temperaturas del proceso aún eran demasiado altas y el material demasiado áspero. Y finalmente, los transistores impresos en láminas de polímero tenían muy poca salida eléctrica.
Esperar lo inesperado
¿Decepcionado? No, dice Jakob Heier del departamento de Polímeros Funcionales de Empa: «El proyecto de ninguna manera fue un fracaso». No solo por los nuevos conocimientos sobre los detalles técnicos, sino también por los «efectos secundarios» inesperados: «Fue un proyecto muy emocionante con muchas sorpresas», recuerda Heier un incidente con consecuencias – que ver con el material grafeno: carbono conductor en capas tan delgado como átomos también es bueno para transistores impresos en láminas flexibles.
Un estudiante de posgrado del equipo no estaría contento de que las tintas de grafeno no pudieran imprimirse en concentraciones más altas. Las partículas se agregan, se agrupan y no se puede formar una película delgada de esta manera. En lugar de usar un solo solvente, el colaborador probó una emulsión especial hecha de grafeno y tres solventes. Pero este recubrimiento también fracasó en el primer intento. Sin embargo, cuando la tinta se mezcló uniformemente y luego se sometió a ligeras fuerzas de cizallamiento en el siguiente intento, la impresión tuvo éxito.
¿Cuál fue la razón?
Curioso, los expertos examinaron el fenómeno y encontraron que las fuerzas de corte cambian fundamentalmente la estructura de la tinta. El fino grafeno se despega de nuevo en el líquido, de modo que las fuerzas de Van der Waals ahora están en funcionamiento: fuerzas de atracción relativamente débiles entre átomos o moléculas. El resultado fue una tinta similar a un gel, sin agentes aglutinantes como los polímeros, que de otro modo aseguran que el líquido conserve su consistencia y no se separe.
Un proceso con potencial de mercado
Una solución práctica que también funciona a temperatura ambiente; la tinta se seca sin calentar. Al final resultó que, tales tintas de van der Waals pueden fabricarse no solo con grafeno, sino también con otros materiales bidimensionales para la impresión. Desde entonces, el proceso ha sido patentado y algunas empresas ya están mostrando interés en fabricar las codiciadas tintas, dicen los expertos, todo por casualidad, que el equipo siguió con una buena dosis de curiosidad.
No es la única sorpresa en el proyecto FOXIP, como cuenta Yaroslav Romanyuk. Un transistor de efecto de campo con una capa aislante de óxido de aluminio impresa en un plástico de poliimida resistente al calor mostró un comportamiento bastante extraño. En lugar de una señal constante como se esperaba, mostró ondas ascendentes: la señal de salida se volvió más fuerte porque «recordaba» las señales entrantes anteriores. «Mostrar tal efecto de ‘memoria’ es realmente indeseable para un transistor», explica Romanyuk.
Pero otro estudiante del equipo tuvo una idea para usar el fenómeno de una manera diferente. Un transistor con tal efecto de memoria funciona de manera similar a los circuitos del cerebro humano. Las sinapsis entre las células nerviosas no solo transmiten señales, sino que también las almacenan. Por lo tanto, un transistor sináptico de este tipo podría ser extremadamente interesante para las computadoras que están modeladas en el cerebro humano. Pero, ¿qué podría hacer?
Con el apoyo de Mozart
Para explorar su potencial, el equipo construyó una copia electrónica del proceso auditivo humano junto con el transistor de película delgada, y lo alimentó con una melodía popular de Mozart: Rondo «Alla Turca» de la Sonata No. 11 en La mayor. «Tenía que ser una pieza animada», dice Romanyuk con una sonrisa. Este experimento y análisis posteriores demostraron que la función sináptica del transistor se conserva desde unos pocos hercios hasta casi 50 000 hercios, un ancho de banda mucho más alto que los transistores impresos comparables.
Por supuesto, aún no se vislumbran aplicaciones concretas para esta investigación básica, que el equipo ha publicado en la revista en línea Scientific Reports, en contraste con las tintas de impresión sin aglutinantes. Pero en el camino hacia las nuevas tecnologías informáticas, los hallazgos pueden ser un paso útil y sorprendente, como tantas veces en la historia de la ciencia.
Tales coincidencias son, por así decirlo, la guinda del pastel para Romanyuk y muchos otros investigadores, especialmente en proyectos que superan los límites de la viabilidad. “Nos fijamos deliberadamente metas muy altas”, dice. “¡Las coincidencias juegan un papel muy importante! Te enfrentas a un gran desafío y luego, de repente e inesperadamente, suceden estas coincidencias”.
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