纳米复合材料的电涂粘连邮票拾取并放下微观结构

二氧化硅颗粒的图案的光学图像，直径为5微米，均使用新的“电粘附”印章挑选和放置。

如果您要撬开智能手机，您将看到一系列电子芯片和组件布置在电路板上，就像一个微型城市。每个组件可能包含甚至更小的“小芯片”，一些不宽于人的头发。这些元件通常用机器人夹具组装，旨在拾取组件并将其放在精确的配置中。

然而，随着电路板与较小的部件包装，机器人夹具的操纵这些物体的能力即将到来。

“电子制造需要处理和组装与面粉谷物类似或小的尺寸的尺寸处理和组装，”前麻省理工学院博览会和研究科学家，在机械工程副教授John Hart的实验室工作。“所以需要一个特殊的挑选解决方案，而不是简单地小型化[现有]机器人夹具和真空系统。”

现在Kim，Hart和其他人开发了一个微型的“电粘性”邮票，可以拾取和放置小于20纳米宽的物体 - 比人类的头发更精细地。邮票是由陶瓷涂层碳纳米管的稀疏森林制成，如刷毛上的微小刷子。

当将小电压施加到印模时，碳纳米管暂时充电，形成可吸引微小颗粒的电吸引力的刺。通过关闭电压，邮票的“粘性”消失，使其能够将物体释放到所需位置。

HART表示，可以将冲压技术缩放到制造设置以打印微型和纳米级功能，例如将更多元素包装在更小的计算机芯片上。该技术还可用于塑造其他小，复杂的特征，例如用于人工组织的细胞。而且，团队设想Macroscale，BioinSpired电粘附表面，例如电压激活垫，用于抓住日常物体和壁虎样攀爬机器人。

“简单地通过控制电压，您可以切换表面从基本上的粘附力，以便在每单位面积的基础上拉动某些东西，即它可以在壁虎的脚上行动，”Hart说。

该团队于2019年10月11日在中国科学推进上发表其结果。

像干透明胶带

现有的机械夹具无法拾取小于约50至100微米的物体，主要是因为在较小的鳞片表面力倾向于赢得重力。当从勺子倒出面粉时，你可能会看到这一点 - 一些微小的颗粒粘在勺子的表面上，而不是让重力拖出它们。

“在试图精确地放置较小的东西时，表面势的主导地位成为一个问题 - 这是电子器件组装到集成系统中的基础过程中的问题，”HART说。

他和他的同事指出，通过施加的电压粘合材料的电粘合剂已经用于一些工业环境中，以挑选和放置面料，纺织品和整个硅晶片等大物体。但是，这种相同的电涂粘度从未被施加到微观水平上的物体上，因为需要用于以更小的尺寸控制电粘附的新材料设计。

HART的组以前使用碳纳米管（CNT） - 以晶格图案连接的碳原子并卷成显微镜管。CNT以其特殊的机械，电气和化学性质而闻名，并且它们已被广泛研究为干粘合剂。

“以前的基于CNT的干粘合剂的工作集中在最大化纳米管的接触面积，基本上产生干燥的苏格兰胶带，”哈特说。“我们采取了相反的方法，并说，”让我们设计一个纳米管表面以最小化接触面积，但是当我们需要时，使用静电器可以打开粘附。“

新型电涂粘附块并放置170微米的尺寸LED小芯片，使用30V的外部电压暂时“棒”到LED。

该团队发现，如果它们用诸如氧化铝的薄介电材料涂覆CNT，当它们施加到纳米管的电压时，陶瓷层变得极化，这意味着其正和负电荷暂时分开。例如，纳米管的尖端的正电荷在任何附近的导电材料中引起相反的偏振，例如微观电子元件。

结果，基于纳米管的印章粘附在元件上，拾取像微小的静电手指一样。当研究人员关闭电压时，纳米管和所消除的元件，并“粘性”消失，允许印模拆卸并将物体放在给定的表面上。

该团队探讨了各种邮票设计的制剂，改变在印章上生长的碳纳米管的密度，以及它们用于涂覆每个纳米管的陶瓷层的厚度。他们发现，陶瓷层较薄，碳纳米管较小，墨纳米管的开/关比越大，据邮票的粘性越大，电压越好，而且当其关闭时。

在他们的实验中，球队使用邮票来拾取和放置纳米线的薄膜，每个薄膜比人的头发缩短约1000倍。它们还使用该技术来挑选和置于聚合物和金属微粒的复杂模式，以及微LED。

HART表示，电涂胶带印刷技术可以缩放，以制造微型电子芯片的电路板和系统，以及带有微观LED像素的显示器。

HART说：“随着半导体器件的沟通能力，重要的需求和机会是集成较小的更小，更佩戴的部件，例如微处理器，传感器和光学器件。”“通常，这些必须单独进行，但必须集成在一起以创建下一代电子系统。我们的技术可能弥合了这些系统可扩展，经济高效的组装所需的差距。“

该研究部分得到了丰田研究所，国家科学基金会和麻省理工学院的下一代计划。

参考：Sanha Kim，Yijie Jiang，Kiera L. Thompson Towell，Michael Sh Boutilier，Nigamaa Nayakanti，Changhong Cao，Chunxu Chen，Christine Jacob，Hangbo Zhao，Kevin T. Turner和A. 。John Hart，2019年10月11日，科学推进.DOI：
10.1126 / sciadv.aax4790