Un resquicio de esperanza para la electrónica extrema

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Los investigadores de MSU desarrollaron un proceso para crear circuitos más resistentes, que demostraron al crear un casco Spartan plateado. El circuito fue diseñado por Jane Manfredi, profesora asistente de la Facultad de Medicina Veterinaria. Crédito: Acta Materialia Inc./Elsevier

Abstracto:
La tecnología de vanguardia del mañana necesitará dispositivos electrónicos que puedan tolerar condiciones extremas. Es por eso que un grupo de investigadores dirigido por Jason Nicholas de la Universidad Estatal de Michigan está construyendo circuitos más fuertes en la actualidad.

Un rayo de luz para la electrónica extrema

East Lansing, MI | Publicado el 30 de abril de 2021

Nicholas y su equipo han desarrollado circuitos de plata más resistentes al calor con la ayuda del níquel. El equipo describió el trabajo, que fue financiado por el Programa de Celdas de Combustible de Óxido Sólido del Departamento de Energía de EE. UU., El 15 de abril en la revista Scripta Materialia.

Los tipos de dispositivos para los que el equipo de MSU está trabajando para beneficiar (celdas de combustible de próxima generación, semiconductores de alta temperatura y celdas de electrólisis de óxido sólido) podrían tener aplicaciones en las industrias automotriz, energética y aeroespacial.

Aunque ahora no puede comprar estos dispositivos listos para usar, los investigadores los están construyendo en laboratorios para probarlos en el mundo real, e incluso en otros planetas.

Por ejemplo, la NASA desarrolló una celda de electrólisis de óxido sólido que permitió al Mars 2020 Perseverance Rover producir oxígeno a partir del gas en la atmósfera marciana el 22 de abril. La NASA espera que este prototipo algún día conduzca a un equipo que permita a los astronautas crear combustible para cohetes y aire respirable. mientras estaba en Marte.

Sin embargo, para ayudar a que esos prototipos se conviertan en productos comerciales, deberán mantener su rendimiento a altas temperaturas durante largos períodos de tiempo, dijo Nicholas, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería.

Se sintió atraído por este campo después de años de usar celdas de combustible de óxido sólido, que funcionan como celdas de electrólisis de óxido sólido a la inversa. En lugar de utilizar energía para crear gases o combustible, crean energía a partir de esos productos químicos.

“Las pilas de combustible de óxido sólido funcionan con gases a alta temperatura. Somos capaces de reaccionar electroquímicamente esos gases para obtener electricidad y ese proceso es mucho más eficiente que la explosión de combustible como lo hace un motor de combustión interna ”, dijo Nicholas, quien dirige un laboratorio en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales.

Pero incluso sin explosiones, la pila de combustible debe soportar condiciones de trabajo intensas.

“Estos dispositivos normalmente operan alrededor de 700 a 800 grados Celsius y tienen que hacerlo durante mucho tiempo, 40,000 horas durante su vida útil”, dijo Nicholas. En comparación, eso es aproximadamente de 1,300 a 1,400 grados Fahrenheit, o aproximadamente el doble de la temperatura de un horno de pizza comercial.

"Y durante esa vida, lo estás ciclando térmicamente", dijo Nicholas. “Lo estás enfriando y calentando de nuevo. Es un ambiente muy extremo. Puede hacer que salten los cables del circuito ".

Por lo tanto, uno de los obstáculos a los que se enfrenta esta tecnología avanzada es bastante rudimentario: los circuitos conductores, a menudo hechos de plata, deben adherirse mejor a los componentes cerámicos subyacentes.

El secreto para mejorar la adhesión, encontraron los investigadores, era agregar una capa intermedia de níquel poroso entre la plata y la cerámica.

Al realizar experimentos y simulaciones por computadora de cómo interactúan los materiales, el equipo optimizó la forma en que depositó el níquel en la cerámica. Y para crear las capas delgadas y porosas de níquel en la cerámica en un patrón o diseño de su elección, los investigadores recurrieron a la serigrafía.

“Es la misma serigrafía que se usa para hacer camisetas”, dijo Nicholas. “Solo estamos imprimiendo electrónica en serigrafía en lugar de camisetas. Es una técnica muy amigable con la fabricación ".

Una vez que el níquel está en su lugar, el equipo lo pone en contacto con la plata que se derrite a una temperatura de aproximadamente 1,000 grados centígrados. El níquel no solo resiste ese calor, su punto de fusión es de 1,455 grados Celsius, sino que también distribuye la plata licuada de manera uniforme sobre sus finas características mediante lo que se llama acción capilar.

"Es casi como un árbol", dijo Nicholas. “Un árbol lleva agua a sus ramas por capilaridad. El níquel absorbe la plata fundida a través del mismo mecanismo ".

Una vez que la plata se enfría y solidifica, el níquel la mantiene bloqueada en la cerámica, incluso en el calor de 700 a 800 grados Celsius que enfrentaría dentro de una celda de combustible de óxido sólido o una celda de electrólisis de óxido sólido. Y este enfoque también tiene el potencial de ayudar a otras tecnologías, donde la electrónica puede calentarse.

“Existe una amplia variedad de aplicaciones electrónicas que requieren placas de circuitos que puedan soportar altas temperaturas o alta potencia”, dijo Jon Debling, gerente de tecnología de MSU Technologies, la oficina de transferencia y comercialización de tecnología del estado de Michigan. “Estas incluyen aplicaciones existentes en los mercados automotriz, aeroespacial, industrial y militar, pero también las más nuevas, como las células solares y las células de combustible de óxido sólido”.

Como gerente de tecnología, Debling trabaja para comercializar las innovaciones de Spartan y está trabajando para ayudar a patentar este proceso para crear dispositivos electrónicos más resistentes.

“Esta tecnología es una mejora significativa, en cuanto a estabilidad de costos y temperatura, sobre las tecnologías existentes de deposición de pasta y vapor”, dijo.

Por su parte, Nicholas sigue estando más interesado en esas aplicaciones de vanguardia en el horizonte, como las celdas de combustible de óxido sólido y las celdas de electrólisis de óxido sólido.

"Estamos trabajando para mejorar su confiabilidad aquí en la Tierra y en Marte", dijo Nicholas.

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También contribuyeron al proyecto los investigadores de ingeniería espartanos, el profesor asistente Hui-Chia Yu, el profesor Timothy Hogan y el profesor Thomas Bieler. Los investigadores estudiantes de posgrado en el proyecto incluyeron a Genzhi Hu, Quan Zhou, Aiswarya Bhatlawande, Jiyun Park, Robert Termuhlen y Yuxi Ma (Zhou, Bhatlawande y Ma se graduaron desde entonces).

Uno de los co-líderes del proyecto en la Universidad de Brown, el profesor Yue Qi, también tiene vínculos con MSU. Se desempeñó como profesora y decana asociada inaugural de inclusión y diversidad en la Facultad de Ingeniería hasta 2020.

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Contactos:
Caroline Brooks

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