Immaginate attuatori miniaturizzati con proprie capacità di rilevamento, integrati in circuiti stampati flessibili a forma di foglio. Questa è la visione perseguita dai team di ricerca guidati da Paul Motzki (Università della Saarland) e John Heppe (Università di Scienze Applicate, htw saar). Il team presenterà il principio alla base di questo innovativo interruttore a foglio alla fiera tecnologica Hannover Messe, dal 20 al 24 aprile (Padiglione 11, Stand D41).
Un modo comune per spiegare la funzione dei transistor è paragonarli all'elettricità a un rubinetto. Immaginate l'elettricità come l'acqua che scorre in un tubo, dove la pressione che ne determina il flusso è la tensione elettrica applicata. Un transistor può attivare e disattivare il flusso o regolarne la quantità. Senza i transistor, la vita moderna si fermerebbe. I numeri sono impressionanti: un singolo smartphone ne contiene miliardi. Ma quando si tratta di alte tensioni e alte frequenze, i transistor possono diventare grandi e costosi. I transistor attuali sono realizzati con più strati di materiali semiconduttori come silicio o germanio.
I ricercatori di Saarbrücken stanno ora aprendo nuove strade realizzando transistor da una pellicola di silicio. "Stiamo sostituendo i componenti semiconduttori con materiali noti come elastomeri dielettrici", spiega Paul Motzki, professore di Sistemi di Materiali Intelligenti presso l'Università della Saarland, che sta sviluppando il concetto insieme al professor John Heppe di htw saar. I due team presenteranno una versione dimostrativa del loro innovativo interruttore elettrico basato su pellicola alla Fiera di Hannover di quest'anno.
Pellicole intelligenti al posto del silicio
I due gruppi di ricerca sono specializzati nella trasformazione di sottilissimi fogli di polimero in attuatori che funzionano senza bisogno di sensori aggiuntivi. I fogli sono rivestiti su entrambi i lati con uno strato di elettrodi altamente flessibile e conduttivo. Quando i ricercatori applicano una tensione al foglio di polimero elastomerico, questi strati conduttivi si attraggono a vicenda, comprimendo il foglio e causandone l'espansione laterale, aumentandone così la superficie. "Variando la tensione applicata, possiamo controllare il movimento del film con grande precisione e fargli eseguire movimenti di flessione a variazione continua o vibrare a una frequenza o ampiezza desiderata", spiega Paul Motzki. I film sono anche auto-sensibili, poiché anche il minimo movimento corrisponde a una specifica variazione della capacità elettrica. Utilizzando questi valori di capacità, i ricercatori sono in grado di quantificare con precisione la deformazione spaziale del film. Questa proprietà consente loro anche di controllarne il movimento, specificando con precisione come e a quale velocità deve deformarsi.
Per anni, Paul Motzki e il suo team hanno perfezionato queste pellicole intelligenti per renderle sempre più reattive e sensibili. Il risultato è una nuova classe di attuatori miniaturizzati a basso consumo energetico, controllabili per eseguire sequenze di movimento complesse e di alta precisione o per mantenere una posizione fissa e definita. Il team ha già realizzato una vasta gamma di prototipi: da una "seconda pelle" tattile integrabile negli indumenti, a pulsanti virtuali dinamici che forniscono feedback aptico agli utenti di touchscreen, fino a pompe e valvole e persino altoparlanti ultraleggeri. Questi attuatori a base di fogli consumano energia solo durante il movimento, non quando mantengono una posizione fissa.
Fogli elastici in grado di controllare il flusso di corrente elettrica: attuatore e sensore in uno.
Il prossimo passo è far sì che queste pellicole intelligenti funzionino come interruttori elettronici, in modo che in futuro possano essere utilizzate come transistor a basso consumo. Per questo, le pellicole necessitano di un nuovo tipo di rivestimento. Finora, lo strato conduttivo è stato realizzato con polvere di carbonio amorfo, nota come nerofumo. Tuttavia, la resistenza elettrica dello strato di nerofumo è troppo elevata per applicazioni efficienti come transistor. Pertanto, il team di Paul Motzki sta collaborando con il gruppo di ricerca del professor John Heppe, "Sensori fisici e meccatronica", presso l'htw saar. Entrambi i gruppi lavorano a stretto contatto presso il Centro di Saarbrücken per la tecnologia meccatronica e dell'automazione (ZeMA), un centro di ricerca congiunto gestito dalle due università, con Paul Motzki come direttore scientifico e direttore generale di ZeMA.
Il team di John Heppe è specializzato in rivestimenti ultrasottili. Invece di applicare uno strato di nerofumo, il team sta studiando metodi per applicare uno strato metallico altamente conduttivo che commuta la corrente a velocità estremamente elevate. La sfida è che la pellicola deve essere in grado di allungarsi significativamente per funzionare, il che significa che due strati metallici rigidi stampati non sono adatti. La soluzione, a quanto pare, è utilizzare un rivestimento che non sia stampato rigidamente sulla pellicola. "Utilizziamo una tecnica di rivestimento specializzata nota come sputtering", spiega John Heppe. Il trucco sta nel fatto che i ricercatori allungano prima la pellicola prima di depositare uno strato metallico conduttivo ultrasottile. Con uno spessore di circa dieci nanometri, questo strato di elettrodo è più di mille volte più sottile di un capello umano. Quindi allungano ulteriormente la pellicola. "È come dipingere un cerchio su un palloncino: se continui a gonfiarlo, lo strato dipinto inizierà a lacerarsi in molti punti", spiega Heppe.
Uno strato metallico ultrasottile pieno di crepe: la strada verso un transistor flessibile basato su pellicola.
Quando i ricercatori rilasciano la tensione, le crepe si chiudono e la corrente può fluire. Allungando la pellicola, le crepe nello strato dell'elettrodo si riaprono, interrompendo la corrente e consentendo un'accensione e uno spegnimento controllati, esattamente come richiesto. Se lo strato metallico sopra l'elastomero si contrae in modo da formare delle pieghe, offre comunque una resistenza minima, permettendo il passaggio di correnti elevate attraverso l'interruttore a pellicola.
«Abbiamo osservato resistenze di appena 50-100 ohm in un'area di circa un centimetro quadrato, il che significa che anche i circuiti ad alta tensione con i cicli di commutazione rapidissimi necessari per controllare valvole e pompe sono una soluzione realistica. Possiamo passare da resistenze molto basse a resistenze molto alte», afferma il professor Heppe.
Tra i due estremi ("tutte le fessure aperte" e "tutte le fessure chiuse"), è possibile controllare con precisione la quantità di corrente che scorre, proprio come un rubinetto regola il flusso dell'acqua. Questi tipi di elettrodi possono essere depositati tramite sputtering sulla pellicola polimerica con separazioni di pochi micrometri.
“In futuro, i transistor a film potrebbero essere utilizzati per la commutazione ad alta frequenza di tensioni nell'ordine dei kilovolt, un'operazione che attualmente richiede componenti a transistor di grandi dimensioni e spesso costosi. Nel complesso, questi sistemi di commutazione sarebbero più piccoli, più efficienti e più economici”, afferma Paul Motzki. I team di ricerca di Saarbrücken puntano a sviluppare circuiti stampati leggeri, flessibili e basati su film per applicazioni ad alta tensione. Finora, i segnali che controllano i dispositivi elettrici ed elettronici sono stati regolati da transistor convenzionali saldati su circuiti stampati piatti e rigidi. Con questa nuova tecnologia, i transistor potrebbero essere integrati direttamente in pellicole attuatrici flessibili. “I nostri innovativi circuiti stampati flessibili potrebbero aprire nuove applicazioni in settori come la tecnologia medica. Attuatori miniaturizzati e auto-apprendenti verrebbero incorporati direttamente nel circuito stampato a film”, spiega Motzki.
Alla Fiera di Hannover, i team presenteranno la loro tecnologia con una dimostrazione di un interruttore a film: quando si tira una leva, la pellicola polimerica si allunga, si formano delle crepe nello strato di elettrodi metallici ultrasottili, la resistenza salta bruscamente dall'ordine degli ohm a quello dei megaohm e il flusso di corrente si interrompe. Quando la leva viene rilasciata, la pellicola si rilassa, le crepe si chiudono e, con la resistenza ora di nuovo al di sotto dei 100 ohm, la corrente fluisce con perdite minime, anche a tensioni fino a, ad esempio, 10 kilovolt, che è il tipo di livello di tensione richiesto per i nuovi attuatori elettrostatici.
Contesto:
Il progetto TransDES (Ricerca su nuove strutture di transistor basate su sistemi di elastomeri dielettrici flessibili) è finanziato congiuntamente dallo stato federale della Saarland e dal Fondo europeo di sviluppo regionale (FESR). Il progetto è una collaborazione tra i gruppi di ricerca guidati dal professor Paul Motzki (Università della Saarland) e dal professor John Heppe (htw saar) presso il Centro per la tecnologia meccatronica e dell'automazione (ZeMA) di Saarbrücken, un centro di ricerca congiunto gestito da entrambe le università.
La tecnologia degli elastomeri dielettrici continua ad essere esplorata e sviluppata in numerosi progetti di ricerca di dottorato. Il lavoro è stato pubblicato su diverse riviste specializzate e ha ricevuto il supporto di numerose fonti, tra cui finanziamenti dell'UE tramite una borsa di ricerca Marie Curie e finanziamenti della Fondazione tedesca per la ricerca (DFG) attraverso il suo programma prioritario SPP KOMMMA. Il governo del Land della Saarland ha fornito supporto finanziario attraverso i progetti FEDER iSMAT e Multi-Immerse, e ME Saar (l'Associazione delle industrie metallurgiche ed elettriche della Saarland) ha finanziato un programma di ricerca di dottorato.
I ricercatori stanno traducendo i risultati della loro ricerca orientata all'applicazione in pratica industriale. Per facilitare il trasferimento della loro tecnologia dei materiali intelligenti ai settori commerciale e industriale, i ricercatori hanno creato la società "mateligent GmbH", che sarà presente con lo stesso stand alla Fiera di Hannover di quest'anno.
Le richieste di informazioni possono essere indirizzate a:
Prof. Dr.-Ing. Paul Motzki: Tel.: +49 681 85787-13;
E-mail:
https://imsl.de – Laboratorio di sistemi di materiali intelligenti
https://zema.de – Centro per la tecnologia meccatronica e dell'automazione (ZeMA)
Nell'immagine: Carmen Perri conduce ricerche su fogli di elastomero intelligenti nell'ambito del team di Paul Motzki. Ha collaborato allo sviluppo dell'innovativo interruttore a foglio che il team di Saarbrücken presenterà alla Fiera di Hannover di quest'anno. Quando si preme una leva, il foglio di polimero si allunga, si formano delle crepe nello strato metallico ultrasottile dell'elettrodo, la resistenza passa bruscamente dall'ordine degli ohm a quello dei megaohm e il flusso di corrente viene interrotto. Quando la leva viene rilasciata, il film si rilassa, le crepe si richiudono e, con la resistenza ora di nuovo al di sotto dei 100 ohm, la corrente fluisce con perdite minime, anche a tensioni fino a, ad esempio, 10 kilovolt, che è il tipo di tensione richiesta per i nuovi attuatori elettrostatici. Crediti fotografici: Oliver Dietze
