Micromanipolazione della luce per assemblare componenti elettronici?

Un giorno non molto lontano, un nuovo sistema di micromanipolazione della luce potrebbe essere la chiave di volta per assemblare componenti elettronici per smartphone, PC ed altri device sostituendo gli ormai classici robot nella produzione in serie. Il metodo a dir poco originale proviene dal lavoro di ricerca di un team internazionale di scienziati e lascia sperare in un sistema economico e rapido per produrre componenti collegando oggetti d’uso quotidiano (abbigliamento, elettrodomestici) ad Internet facendo avanzare il concetto stesso di Internet of Things. La stessa tecnica di micromanipolazione della luce potrebbe essere applicata per sostituire in modo più sicuro e rapido le batterie dei dispositivi mobile.

Le cosiddette trappole ottiche, che sfruttano la luce per trattenere e spostare piccoli oggetti immersi in un  liquido, rappresentano un promettente metodo di non-contatto per assemblare dispositivi ottici ed elettronici. Tuttavia, quando si impiegano queste trappole per processi produttivi, il liquido deve essere rimosso; è un processo che tende a spostare modelli o strutture formate usando una trappola ottica.

Micromanipolazione della luce: l’approccio avanzato di cattura ottica

Nella rivista Optics Express del gruppo Optical Society (OSA), i ricercatori del gruppo Micromanipulation Research Group di Steven Neale (Università di Glasgow, Scozia) descrivono nei dettagli il loro metodo per usare un approccio avanzato di cattura ottica noto come ‘pinzette optoelettroniche’ per assemblare contatti elettrici. Grazie ad un innovativo metodo di liofilizzazione sviluppato da Shuailong Zhang, membro del gruppo di ricerca di Neale, il liquido potrebbe essere rimosso senza ‘disturbare’ i componenti assemblati.

“Le forze generate da queste pinzette optoelettroniche sono state paragonate a Star Trek come raggi traenti che possono muovere oggetti tramite un strumento senza toccarli” ha detto Neale. “Ciò fa pensare a linee di assemblaggio senza bracci robotici, con componenti discreti che si assemblano quasi magicamente, guidati da sequenze luminose”.

Una dimostrazione pratica con perline di saldatura

I ricercatori hanno dato una dimostrazione della tecnica di micromanipolazione della luce assemblando un modello composto da perline di saldatura con una trappola optoelettronica; hanno rimosso il liquido e riscaldato il modello per fondere assieme le perle e formare così connessioni elettriche. Hanno utilizzato le perle di saldatura per dimostrare che, in futuro, queste microparticelle potrebbero essere assemblate e fuse allo scopo di creare connessioni elettriche.

“Le pinzette optoelettroniche sono economiche e consentono la micromanipolazione parallela delle particelle” ha dichiarato Zhang. “In linea di principio, possiamo muovere oltre 10.000 perline contemporaneamente. In combinazione con la nostra tecnica di congelamento a secco, si viene a creare una piattaforma estremamente economica, ideale nella produzione in serie“.

In sostanza, i ricercatori hanno combinato le pinzette optoelettroniche con una nuova tecnica di congelamento a secco per creare una connessione elettronica.

Precisione e rapidità in fase di assemblamento

La nuova tecnica di micromanipolazione della luce potrebbe offrire una soluzione alternativa per realizzare i circuiti stampati che collegano i componenti presenti in gran parte dei dispositivi elettronici odierni.

Attualmente, questo genere di dispositivi viene assemblato da macchine automatiche che prendono piccole parti, le posizionano sul circuito e le saldano in posizione. Si tratta di un processo che richiede una dispendiosa fase motorizzata per posizionare la scheda ed un costoso braccio robotico ad alta precisione per raccogliere e mettere le piccole parti sul dispositivo. Il costo di questi sistemi di micromanipolazione sale in proporzione all’aumento della dimensione di restringimento dei componenti elettronici per ovvi requisiti di precisione.

“Le pinzette optoelettroniche e la tecnica di congelamento a secco possono essere sfruttate per assemblare perline di saldatura ma anche un’ampia gamma di oggetti come nanofili semiconduttori, nanotubi di carbonio, microlaser e microLED” ha aggiunto Zhang. I ricercatori intendono utilizzare questo prezioso strumento per assemblare in un dispositivo od un sistema componenti elettronici come condensatori e resistori nonché dispositivi fotonici come laser e LED“.

La forza dielettrica delle perline di saldatura

I ricercatori hanno utilizzato pinzette optoelettroniche perché questa tecnica di manipolazione della luce può formare migliaia di trappole in un colpo solo. Le pinzette si formano usando uno strato di silicio capace di cambiare la sua conducibilità elettrica quando viene esposto alla luce. Nelle zone esposte ai punti luce, si forma un campo elettrico discontinuo che interagisce con particelle o perline in uno strato liquido sulla parte superiore del silicio. Così facendo, le particelle vengono spostate con precisione muovendo il punto luce.

Si possono spostare simultaneamente più particelle creando sequenze di punti luce.

Zhang spiega che “con questo metodo è possibile spostare perle di saldatura di varie dimensioni (dal range di nanometri fino a circa 150 micron)”. Il gruppo di ricercatori è stato capace di spostare oggetti superiori a 150 micron: ovviamente, è stato più impegnativo perché più aumenta la dimensione dell’oggetto, più cresce la forza di attrito.

Dopo aver usato le pinzette optoelettroniche per assemblare un modello del diametro di 40 micro (perle di saldatura disponibili in commercio), i ricercatori hanno congelato il liquido nel dispositivo di pinzatura optoelettronica, dopodiché hanno ridotto la pressione circostante per consentire al liquido congelato di passare direttamente da un solido in un gas. Questa tecnica di liofilizzazione ha permesso alle perle saldate di rimanere in posizione dopo la rimozione del liquido. Il metodo può funzionare per rimuovere il liquido utilizzato con qualsiasi tipo di trappola ottica ed anche con trappole generate da onde acustiche.

Le perline di saldatura presentano una notevole forza dielettrica; ciò vuol dire che possono essere spostate in modo preciso e rapido consentendo un efficace montaggio di strutture.

La micromanipolazione della luce come futuro strumento per sostituire le batterie

Attualmente, i ricercatori stanno lavorando per trasformare il loro sistema da laboratorio in una tecnica in grado di combinare le pinzette optoelettroniche con il processo di congelamento a secco in una singola unità. Stanno anche sviluppando un’interfaccia software per controllare la generazione di una sequenza luce basata sul numero di particelle da intrappolare.

Zhang si spiega meglio: “Ci stiamo affidando ad un computer per generare la sequenza luce in grado di spostare le perle ma stiamo anche lavorando ad un’applicazione che consentirebbe di utilizzare un tablet o uno smartphone. Tutto questo per lavorare da remoto, a distanza dal sistema, utilizzando un semplice dito per controllare i movimenti delle particelle“.

Di recente, Neale ha ricevuto finanziamenti per perfezionare la ricerca che utilizza il nuovo approccio di micromanipolazione ottica allo scopo di creare condensatori ad alta densità di energia per sostituire le batterie nei dispositivi mobili.