Le MIT repousse les limites dans le domaine de l’électronique imprimée en 3D
Parfois, l’innovation naît d’une simple coïncidence. C’est ce qu’ont découvert des chercheurs du MIT lorsqu’ils ont imprimé en 3D des bobines magnétiques à partir de filaments de polymère enrichis de nanoparticules de cuivre. Ils ont observé une propriété inattendue du matériau : une forte résistance aux courants électriques, qui revenait à son état initial une fois le flux interrompu. Pourquoi est-ce important ? Cette caractéristique permet de concevoir des transistors pouvant agir comme des interrupteurs. Les chercheurs du MIT se sont fixé un nouvel objectif : développer les premières portes logiques à l’état solide, sans semi-conducteurs, entièrement imprimées en 3D, ainsi que des fusibles réinitialisables, également imprimés en 3D. Leur succès a été confirmé avec la publication de leurs résultats en juillet dernier.
Les portes logiques sont des composants élémentaires d’un circuit numérique. Habituellement, ces dispositifs reposent sur des semi-conducteurs, souvent à base de silicium ou d’autres matériaux, dont les propriétés électriques peuvent être ajustées. Le silicium, par exemple, peut être modifié pour créer des zones conductrices ou isolantes, ce qui le rend idéal pour fabriquer des transistors, un élément clé de l’électronique moderne. Cependant, il est important de noter que les dispositifs à semi-conducteurs ne sont pas toujours facilement disponibles, car leur production exige des installations spécialisées. La pandémie de COVID-19 a d’ailleurs révélé cette fragilité, la pénurie de centres de fabrication de semi-conducteurs ayant contribué à la rareté de nombreux produits électroniques.
Le dispositif imprimé en 3D et les visualisations de sa conductivité thermique (Crédits photo : MIT)
La possibilité de fabriquer des portes logiques sans recourir aux semi-conducteurs ouvre de nouvelles perspectives pour la production d’électronique à l’échelle locale. Bien que cette idée soit encore éloignée d’une application concrète, les chercheurs du MIT ont franchi une étape clé en imprimant en 3D des commutateurs destinés à ces portes logiques. Ce processus de fabrication s’est avéré plus économe en énergie et a généré moins de déchets que la production classique de semi-conducteurs, en grande partie grâce à l’utilisation de matériel d’impression 3D standard et d’un polymère dopé au cuivre, à la fois peu coûteux et biodégradable.
Les chercheurs du MIT ont testé divers filaments pour l’impression 3D, notamment des polymères dopés au carbone, des nanotubes de carbone et du graphène, mais aucun n’a réussi à agir. D’après l’article publié par le MIT sur leurs travaux, « [les chercheurs] émettent l’hypothèse que les nanoparticules de cuivre présentes dans le matériau se dispersent sous l’effet de la chaleur générée par le courant électrique, entraînant une augmentation de la résistance, qui redescend lorsque le matériau refroidit et que les particules de cuivre se rapprochent de nouveau. Ils estiment également que la base polymère du matériau passe de l’état cristallin à l’état amorphe avec la chaleur, avant de revenir à son état cristallin en refroidissant ».
Luis Fernando Velásquez-García, chercheur principal aux Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT et auteur principal de l’étude décrivant ces dispositifs, souligne qu’il faudra mener des recherches supplémentaires pour comprendre pourquoi le polymère dopé au cuivre réagit de cette manière. Bien que le dispositif ne soit pas aussi performant que les transistors en silicium, il est néanmoins capable d’assumer des fonctions de contrôle simples, comme l’activation et la désactivation d’un moteur. De plus, après 4 000 tests, le transistor n’a montré aucun signe de dégradation.
L’électronique imprimée en 3D verra-t-elle le jour à l’avenir ?
« Cette technologie présente des avantages réels », a affirmé M. Velásquez-García. « Bien que nous ne soyons pas en mesure de concurrencer le silicium en tant que semi-conducteur, notre objectif n’est pas forcément de remplacer les technologies existantes, mais plutôt d’explorer de nouvelles possibilités avec l’impression 3D. En résumé, il s’agit véritablement de démocratiser la technologie. Cela pourrait permettre à n’importe qui de fabriquer des dispositifs intelligents, même loin des centres de production traditionnels. »
Dans leur article publié dans la revue Virtual and Physical Prototyping, les chercheurs soulignent que « la personnalisation et l’accessibilité inhérentes à la fabrication additive par extrusion de matériaux rendent cette technologie potentiellement révolutionnaire ». Leur étude conclut que « ce travail constitue un point de départ vers la démocratisation de la fabrication de dispositifs électroniques sans semi-conducteurs et offre un intérêt immédiat pour la création de dispositifs intelligents et sur mesure, même éloignés des centres de production traditionnels ».
Le MIT a annoncé que, dans un avenir proche, les chercheurs envisagent d’utiliser cette technologie pour imprimer des composants électroniques entièrement fonctionnels. Pour l’instant, leur objectif est de concevoir un moteur magnétique uniquement grâce à l’impression 3D FDM. Par ailleurs, ils souhaitent améliorer le processus pour réaliser des circuits plus complexes et explorer les limites de performance de ces dispositifs. Pour en savoir plus sur cette étude, consultez l’article du MIT ICI.
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