通过制造不含半导体的逻辑门，这些逻辑门可用于执行计算，研究人员希望简化电子设备的制造过程。
主动电子器件—即能够控制电信号的组件—通常包含半导体设备，这些设备用于接收、存储和处理信息。这些组件必须在无尘室中制造，且需要先进的制造技术，而这种技术仅在少数专门的制造中心可用。
在新冠疫情期间，全球范围内半导体制造设施的匮乏是导致电子产品短缺的原因之一，这导致了消费品价格的上涨，并影响了从经济增长到国家安全的方方面面。如果能够无需半导体便3D打印出完整的主动电子设备，电子制造技术将能够推广到全球各地的企业、实验室甚至家庭中。
虽然这一想法距离实现仍有一段距离，但MIT的研究人员在这一方向上迈出了重要的一步，他们成功展示了完全3D打印的可复位保险丝，而这些保险丝是主动电子设备的关键组件，通常需要依赖半导体。
研究人员使用标准的3D打印设备和一种廉价的、可生物降解的材料，制造出了不含半导体的器件，这些器件能够执行与基于半导体的晶体管相同的开关功能，而晶体管通常用于主动电子器件中的处理操作。
尽管这些3D打印的器件在性能上还远不及半导体晶体管，但它们可以用于一些基础的控制操作，比如调节电动机的速度。
“这项技术具有很大的潜力。虽然我们无法与硅基半导体竞争，但我们的目标并不是取代现有的技术，而是将3D打印技术推向未知领域。简而言之，这实际上是关于技术的普及化。这可能让任何人在远离传统制造中心的地方都能够创造智能硬件，”MIT微系统技术实验室（MTL）的首席研究科学家兼该论文的资深作者路易斯·费尔南多·贝拉斯克斯-加西亚（Luis Fernando Velásquez-García）说道，这篇论文发表在《虚拟与物理原型》期刊上。
该论文的第一作者是电气工程与计算机科学专业的研究生豪尔赫·卡纳达（Jorge Cañada）。
一个意外的项目
半导体（包括硅）是一类电性能可以通过添加特定杂质进行调整的材料。根据设计的不同，硅设备可以拥有导电和绝缘的区域。这些特性使得硅成为制造晶体管的理想材料，而晶体管是现代电子设备的基本构件。
然而，研究人员最初并不是为了3D打印能够像硅基晶体管一样工作的无半导体设备而开展这项工作的。
这个项目源于他们另一个项目，在那个项目中，他们使用挤出打印技术制造磁线圈。这是一种通过将材料加热熔化并通过喷嘴逐层构建物体的打印过程。
他们发现了一个有趣的现象：他们使用的材料是一种掺杂了铜纳米颗粒的聚合物丝。
如果向该材料中输入大量电流，它的电阻会急剧上升，但在电流停止后，电阻会很快恢复到原来的水平。
这种特性使工程师能够制造可以作为开关操作的晶体管，而这通常只与硅和其他半导体相关。晶体管通过开关操作处理二进制数据，它们用于构建执行计算的逻辑门。
“我们意识到这可能会帮助3D打印硬件迈向下一个阶段。它为电子设备提供了一种明确的‘智能化’途径。”贝拉斯克斯-加西亚说道。
研究人员尝试用其他3D打印丝复制同样的现象，测试了掺杂碳、碳纳米管和石墨烯的聚合物。最终，他们无法找到另一种可以充当可复位保险丝的可打印材料。
研究人员推测，当材料被电流加热时，铜颗粒在材料中扩散，导致电阻急剧上升；当材料冷却时，铜颗粒再次聚集，电阻恢复。他们还认为，材料的聚合物基底在加热时从晶态变为无定形态，冷却后恢复到晶态，这是一种称为聚合物正温系数效应（PTC）的现象。
“目前，这仍然是我们最好的解释，但这并不是完整的答案，因为这并不能解释为什么这种现象只发生在这种材料组合中。我们还需要做更多的研究，但毫无疑问，这种现象是真实存在的，”他说道。
3D打印主动电子设备
研究团队利用这种现象一步打印出可以用于构建不含半导体的逻辑门的开关。
这些设备由掺铜聚合物的薄3D打印线条构成。它们包含交叉的导电区域，研究人员可以通过控制输入开关的电压来调节电阻。
尽管这些设备的性能不如硅基晶体管，但它们可以用于更简单的控制和处理功能，比如开关电动机的开关。他们的实验显示，即使经过4000次开关循环，这些设备也没有出现任何劣化迹象。
不过，研究人员在缩小这些开关的尺寸上遇到了限制，这与挤出打印技术的物理特性和材料的性质有关。他们能够打印出几百微米大小的设备，而最先进电子设备中的晶体管直径仅为几纳米。
“现实情况是，许多工程应用并不需要最好的芯片。归根结底，你关心的是设备能否完成任务。这项技术能够满足这样的需求，”他说。
然而，与半导体制造不同，他们的技术使用的是一种可生物降解的材料，制造过程消耗的能量更少，产生的废料也更少。聚合物丝还可以掺杂其他材料，如磁性微粒，这可能赋予设备额外的功能。
未来，研究人员希望使用这项技术打印出完全功能性的电子设备。他们正在努力仅通过挤出3D打印制造出一个能够运转的磁性电机。他们还希望优化这一过程，以便能够构建更复杂的电路，并探索这些设备的性能极限。
“这篇论文展示了可以使用挤出聚合物导电材料制造主动电子设备。这项技术使得电子设备能够直接嵌入到3D打印结构中。一个有趣的应用是按需在航天器上3D打印机电一体化设备。”斯坦福大学的威廉·E·艾尔工程学荣休教授罗杰·豪威（Roger Howe）说道，他并未参与这项工作。
这项工作部分由Empiriko公司资助。
