A cultura maker, ou faça-você-mesmo, ganhou um grande impulso com a popularização das impressoras 3D e dos kits de computadores de baixo custo, como Arduino e Raspberry Pi. No entanto, criar um circuito eletrônico dedicado e totalmente otimizado é uma tarefa diferente.
Os circuitos eletrônicos são compostos por componentes semicondutores que devem ser produzidos em salas limpas, o que exige tecnologias de fabricação avançadas e de alta precisão—recursos que não estão disponíveis para hobistas e entusiastas do faça-você-mesmo.
Entretanto, Jorge Cañada e Luis García, do MIT, acreditam que isso pode mudar, tornando a microeletrônica acessível a todos, utilizando a impressão 3D.
A possibilidade de imprimir em 3D um dispositivo eletrônico completo, sem a necessidade de semicondutores, pode facilitar a fabricação de protótipos para empresas, eletrônicos para laboratórios e qualquer invenção que alguém possa imaginar ou tentar automatizar.
Embora essa ideia ainda esteja distante, os pesquisadores já demonstraram essa viabilidade ao criar fusíveis rearmáveis totalmente impressos em 3D, que são componentes essenciais de eletrônicos ativos e normalmente requerem semicondutores.
[Imagem: Jorge Cañada]
Eletrônica biodegradável
Os dispositivos sem semicondutores, fabricados com materiais baratos e biodegradáveis, podem desempenhar as mesmas funções de comutação que os transistores baseados em semicondutores, utilizados em operações de processamento de dados.
Embora esses componentes não alcancem o desempenho dos transistores semicondutores industriais, os dispositivos impressos em 3D são adequados para operações básicas de controle, como, por exemplo, regular a velocidade de um motor elétrico.
Houve outras tentativas de desenvolver microeletrônica sem semicondutores, mas essas abordagens utilizam metamateriais, resultando em componentes maiores.
“Essa tecnologia tem um grande potencial. Embora não possamos competir com o silício como semicondutor, nossa intenção não é necessariamente substituir o que já existe, mas levar a tecnologia de impressão 3D a um novo território. Em suma, trata-se de democratizar a tecnologia. Isso pode permitir que qualquer pessoa crie hardware inteligente fora dos centros de fabricação tradicionais,” afirmou García.
Transistores Sem Semicondutores
Os semicondutores, como o silício, são materiais cujas propriedades elétricas podem ser modificadas pela adição de certas “impurezas” em um processo conhecido como dopagem. Isso permite que um componente de silício tenha regiões condutoras e isolantes, dependendo dos elementos adicionados. Essa característica torna o silício ideal para a fabricação de transistores, que são os blocos fundamentais da eletrônica moderna.
Os pesquisadores se basearam em um trabalho anterior, onde fabricaram bobinas magnéticas utilizando impressão por extrusão. Nesse processo, a impressora derrete o filamento e extruda o material através de um bico, construindo o objeto camada por camada.
Ao utilizar um filamento de polímero dopado com nanopartículas de cobre, os cientistas observaram um fenômeno interessante: quando uma corrente elétrica intensa passa pelo material, ele apresenta um aumento significativo na resistência, que retorna ao nível original logo após a corrente cessar.
Essa propriedade inesperada possibilitou a criação de interruptores, onde o aumento da resistência elétrica funciona como um desligamento da corrente. É exatamente isso que os transistores fazem, representando 0s e 1s pela passagem ou ausência de corrente elétrica. Os transistores conectam e desconectam para processar dados binários, formando portas lógicas que são essenciais para toda a computação.
“Percebemos que isso poderia elevar o hardware de impressão 3D a um novo patamar, oferecendo uma forma clara de adicionar algum nível de ‘inteligência’ a um dispositivo eletrônico,” comentou García.
De Amorfo a Cristalino
Os pesquisadores levantam a hipótese de que as partículas de cobre no material se dispersam quando aquecidas pela corrente elétrica, causando um pico na resistência que diminui novamente ao esfriar, quando as partículas se aproximam.
Além disso, acreditam que a base polimérica do material muda de cristalina para amorfa quando aquecida e retorna à sua forma cristalina ao esfriar, transformando o polímero de impressão em um material de mudança de fase—um fenômeno conhecido como coeficiente de temperatura positivo polimérico.
A abordagem não funcionou quando tentaram substituir as nanopartículas de cobre por carbono, incluindo grafeno e nanotubos.
Os pesquisadores agora têm como objetivo utilizar sua tecnologia de impressão 3D para fabricar circuitos totalmente funcionais. Eles estão especificamente trabalhando na criação de um motor magnético funcional utilizando apenas impressão 3D por extrusão, além de buscar refinamentos no processo para possibilitar a construção de circuitos mais complexos.
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