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Nano científico

Una entrevista con el cliente de AFM de Park Systems, el Dr. Ahmed Busnaina

Director, NSF Nanoscale Science and Engineering Center for High-rate Nanomanufacturing en Northeastern University

 

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El Centro Northeastern University’s Center for High-rate Nanomanufacturing ha desarrollado un sistema totalmente automatizado que utiliza tecnologías de impresión de tipo offset en la nanoescala para hacer productos que toman ventaja de las características superiores de los nanomateriales. En minutos, el sistema puede imprimir metales, materiales orgánicos e inorgánicos, polímeros y estructuras y circuitos a nanoescala (hasta 25 nanómetros) sobre sustratos rígidos o flexibles.
El sistema de impresión Offset a nano escala (NanoOPS) es un nuevo sistema que tiene el potencial para transformar la nanofabricación y estimular la innovación. Debido a su simplicidad relativa, el NanoOPS pretende eliminar algunas de las barreras de entrada de alto costo para la fabricación de dispositivos de nanoescala para la electrónica, energía, aplicaciones de materiales médicos y funcionales.
Las instalaciones actuales de nanofabricación cuestan miles de millones de dólares para construirse, y su operación requiere enormes cantidades de agua y energía. El NanoOPS podría funcionar a una fracción del costo, haciendo accesible a innovadores y emprendedores la nanofabricación y creando el potencial para una ola de creatividad, quizás similar a lo que la PC hizo por la computación y lo que está haciendo la impresora 3D por el diseño.
Además de reducir los costes de fabricación, el NanoOPS irá más allá de las capacidades de fabricación actual que permite la comercialización de propiedades a nanoescala, como los nanotubos, que han sido identificados en el laboratorio. Esto permitirá la fabricación crítica en áreas tales como medicamentos nuevos y más asequibles; materiales más fuertes y más ligeros; o electrónica más rápida y más barata.

 

¿Qué beneficios claves son ofrecidos por el NanoOPS en el proceso de fabricación a nanoescala?

 

La fabricación de dispositivos electrónicos a nanoescala comercial sigue siendo en gran parte descendente, basada en silicio y cara. Además, pocos dispositivos de nanoescala fabricados hoy en día aprovechan las propiedades y comportamientos de nanomateriales como nanotubos, puntos cuánticos y nano partículas. La impresión ofrece un nuevo enfoque para la fabricación de dispositivos y productos al incorporar nanomateriales. La impresión electrónica hoy en día se utiliza para hacer electrónica de gama baja, sin embargo, estos productos están hechos usando la tecnología de inyección de tinta, que es muy lenta y limitada solo a la resolución de micro escala. Incluso con la impresión electrónica lenta y de baja resolución de hoy en día, todavía ofrece ahorros significativos comparados a la electrónica de silicio. Por ejemplo, el costo de un dispositivo de sensor plus-digital de lectura integrado impreso es 1/10 a 1/100 el coste de los sistemas actuales basados en silicio. El mercado de electrónica impresa es de cerca de $ 50 mil millones este año y se proyecta que llegará a $ 250 mil millones en 10 años. Esto se basa en la capacidad actual de impresión electrónica, sin embargo, si la impresión se puede utilizar para imprimir dispositivos electrónicos de alta gama al mismo precio pero con órdenes de magnitud más rápidas, pensamos que el mercado será muchas veces más grande en un futuro cercano. Nuestro nuevo sistema de impresión en Offset de nanoescala (NanoOPS); ha demostrado ser capaz de tener órdenes de magnitud más rápidas y mayor resolución que la impresión electrónica e impresión 3D chorro de tinta actual. Nuestro NanoOPS único completamente automatizado que puede adaptarse con flexibilidad a imprimir una variedad de dispositivos de micro-nano escala para muchas aplicaciones incluyendo electrónica, energía, materiales médicos y funcionales.


¿Cual es un ejemplo de un dispositivo a nanoescala que hace la diferencia en nuestra vida cotidiana?

Hay aplicaciones que utilizan nanomateriales como nanopartículas, nanotubos de carbono (CNTs) y puntos cuánticos (QDs) pero no en la nanoescala. Por ejemplo, mucha electrónica impresa así como orgánica fotovoltaica utiliza nanomateriales utilizando el proceso de impresión o de rollo a rollo.  Además, algunos LCDs grandes ya utilizan QDs para mostrar colores brillantes. Sin embargo, todas estas son aplicaciones de bajo nivel de los nanomateriales. Una vez que la impresión de alta velocidad de nanoescala se vuelva disponible, entonces veremos un cambio de paradigma en el uso de dispositivos de nanoescala producidos con nanomateriales.


¿Como el NanoOPS proporciona una solución para la nanofabricación?

 

Esta primavera, estamos tomando algunos de nuestros descubrimientos claves actualizados para el laboratorio y el mercado. En colaboración con una empresa de Massachusetts, la CHN ha desarrollado un único sistema totalmente automatizado: EL sistema de impresión en Offset a nano escala (NanoOPS) puede adaptarse con flexibilidad para imprimir una variedad de dispositivos de micro-nano escala para muchas aplicaciones incluyendo electrónica, energía, materiales médicos y funcionales. Este, de una herramienta sistema de impresión tipo racimo totalmente automatizada se dará a conocer en septiembre de este año. La máquina hexagonal es de unos siete pies de ancho y tiene un brazo robótico central que transfiere las plantillas de impresión y el producto final que será el resultado del proceso de fabricación de multi escala.

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Sistema de impresión en Offset de nanoescala NanoOPS


Si hay un diferenciador clave entre los últimos enfoques y su propio sistema de fabricación de alto rendimiento a escala nanométrica, ¿cuál sería?

Uno de los muchos ejemplos donde la AFM podría proporcionar una información útil y única (sin daño de la muestra) es con respecto a la alineación de paredes o multi paredes de estructuras (SWNTs o MWNTs) de los nanotubos de carbono que afectan a la conductividad de ensamblaje (muy importante para los usos electrónicos o de sensor), así como para aplicaciones de materiales estructurales o compuestos. A continuación hay un ejemplo de cómo se puede controlar la alineación de los SWNTs durante ensamblaje dirigido (mediante un recubridor de inmersión). Las mediciones de AFM demostraron claramente que el ángulo de los SWNTs montados es una función de velocidad de tracción (como se muestra en la imagen AFM de SWNTs montados en diferentes condiciones de tracción).


¿Cómo se usa el AFM (microscopía de fuerza atómica)?

L'un des nombreux exemples où l'AFM peut fournir des informations uniques et utiles (sans endommager l'échantillon) concerne l'alignement de structures nanotubes de carbone monofeuillets ou multifeuillets (SWNT ou MWNT) qui affectent la conductivité de l'ensemble (très important pour les applications électroniques ou avec des capteurs), ainsi que pour des applications structurales ou des matériaux composites. Voici un exemple de façon dont l'alignement des SWNT peut être contrôlé lors de l'assemblage dirigé (en utilisant un outil de trempage). Les mesures AFM ont clairement montré que l'angle des SWNT assemblés est fonction de la vitesse de traction (comme représenté sur l'image AFM de SWNT assemblés avec différentes conditions de traction).

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¿Que distingue a la AFM de otras formas de microscopía para las necesidades de su enfoque?

La AFM es capaz de caracterizar nanomateriales montados en una estructura 2D o 3D o sólo sobre una superficie. El SEM y otros enfoques de vacío pueden proporcionar mediciones afectando la muestra ya sea por la viga-e que le causará daño a nanomateriales como CNTs expuestos (más de pocos segundos a alta magnificación). También, en el SEM, generalmente la materia orgánica que se acumula en la cámara termina depositándose en el sustrato, lo que afecta y daña la muestra. La carga de muestras también ocurre y puede causar daño de la muestra. La AFM no tiene ninguno de estos inconvenientes. Además, las capacidades de medidas cuantitativas tales como la cartografía 3D de nanoestructuras no pueden ser igualadas por otras técnicas.


¿Puede explicar lo que significa el medio faltante en el proceso de fabricación?

Esta es una excelente pregunta y una a la que el gobierno estadounidense tiene que prestarle atención. La mayoría de las tecnologías de investigación y avance universitarias son publicadas y patentadas y si luego no hay ninguna empresa con licencia de la tecnología o ninguna empresa revolucionaria se lanza, la tecnología no será comercializada. No hay ningún mecanismo para la financiación tal como el medio faltante. A las grandes empresas les gusta comprar una solución completa que ya haya construido el prototipo y haya desarrollado la tecnología necesaria y presentado las patentes necesarias para la comercialización. Sin embargo, una empresa debe ser lanzada y financiada por algunos años antes de alcanzar ese punto. Los capitales de riesgo e inversionistas Ángeles han sido muy conservadores durante la última década. Se supone que los nuevos institutos de manufactura avanzada proporcionan una solución a este problema, pero hasta ahora los institutos tienen que centrarse en mejorar o refinar la tecnología existente y menos en el desarrollo de tecnologías emergentes.

Nota: El informe de la Oficina de Rendición de Cuentas del Gobierno de los Estados Unidos lanzó un reporte de más de 100 páginas temprano este año acerca del estado de nanofabricación en América que manifestaba la preocupación por la falta de financiación o soporte de mediana-etapa y pruebas de concepto inicial en el laboratorio a la fabricación a gran escala que conduce a que las prometedoras ideas de nanotecnología mueran en la vid antes de que pueden alcanzar todo su potencial.


¿Qué avances en altas tasas de nanofabricación imagina en un futuro cercano?

ahorros significativos comparados a la electrónica de silicio. La impresión, sin embargo, puede ser utilizada para imprimir o la nanofabricación de dispositivos electrónicos de alta gama al mismo precio pero con órdenes de magnitud más rápida. Nuestro nuevo sistema de impresión en Offset de nanoescala (NanoOPS); ha demostrado ser capaz de tener órdenes de magnitud más rápida y mayor resolución que la impresión electrónica e impresión 3D chorro de tinta actual. Nuestro único NanoOPS completamente automatizado que puede adaptarse con flexibilidad a imprimir una variedad de dispositivos de micro-nano escala para muchas aplicaciones incluyendo electrónica, energía, materiales médicos y funcionales.

Creemos que las técnicas de impresión de nanoescala de dispositivos transformará la nanofabricación y tecnologías basadas en nano y estimulará la innovación superando la barrera de entrada de alto costo para la fabricación de dispositivos de alta gama impresos a una fracción del costo de hoy. Aunque las plantillas flexibles de Damascene se pueden utilizar en sistema de impresión de rollo a rollo, el NanoOPS utiliza un proceso por lotes para poder aplicar la alineación y el registro de la nanoescala. La visión es "democratizar" la nanofabricación, haciéndola más ampliamente accesible a la industria y empresarios y desatar una ola de creatividad para la innovación de productos basados en nanotecnología - análogo a lo que hizo el advenimiento del ordenador personal por la informática.


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Dr. Ahmed Busnaina

Director, NSF Nanoscale Science and Engineering Center for High-rate Nanomanufacturing en Northeastern University

Ahmed A. Busnaina, Ph.D.es el catedrático de William Lincoln Smith Fundador Director de la Fundación Nacional de Ciencia a nanoescala y Centro de Ingeniería (NSEC) para la nanofabricación de alta velocidad y el centro de la NSF para el Control de la Nano y Microcontaminación en la Universidad Northeastern, Boston, MA.
El Dr. Busnaina es reconocido internacionalmente por su trabajo en nanofabricación, mitigación nano y micro defectos y eliminación en la fabricación de semiconductores y se especializa en ensamblaje dirigido de nanoelementos y en la nanofabricación de dispositivos a micro y nanoescala. Autor de cientos de documentos técnicos, él es un portavoz frecuente en eventos de la industria y editor asociado de la revista de investigación Journal of Nanoparticle Research Él también ha servido en muchas juntas asesoras, incluyendo Samsung Electronics; Chemical Industry Nanomaterials Roadmap, Semiconductor International, y Journal of Advanced Applications in Contamination Control.