A Silver Lining For Extreme Electronics

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Os pesquisadores da MSU desenvolveram um processo para criar circuitos mais resistentes, que demonstraram ao criar um capacete espartano prateado. O circuito foi desenhado por Jane Manfredi, professora assistente da Faculdade de Medicina Veterinária. Crédito: Acta Materialia Inc./Elsevier

Abstrato:
A tecnologia de ponta do futuro necessitará de componentes eletrónicos que possam tolerar condições extremas. É por isso que um grupo de pesquisadores liderado por Jason Nicholas, da Michigan State University, está construindo circuitos mais fortes hoje.

Um forro de prata para eletrônicos extremos

Leste Lansing, MI | Postado em 30 de abril de 2021

Nicholas e sua equipe desenvolveram circuitos de prata mais resistentes ao calor com a ajuda do níquel. A equipe descreveu o trabalho, que foi financiado pelo Programa de Células de Combustível de Óxido Sólido do Departamento de Energia dos EUA, em 15 de abril na revista Scripta Materialia.

Os tipos de dispositivos que a equipe da MSU está trabalhando para beneficiar – células de combustível de próxima geração, semicondutores de alta temperatura e células de eletrólise de óxido sólido – poderiam ter aplicações nas indústrias automobilística, de energia e aeroespacial.

Embora não seja possível comprar esses dispositivos imediatamente, os pesquisadores estão atualmente construindo-os em laboratórios para testá-los no mundo real e até mesmo em outros planetas.

Por exemplo, a NASA desenvolveu uma célula de eletrólise de óxido sólido que permitiu ao Mars 2020 Perseverance Rover produzir oxigênio a partir do gás na atmosfera marciana em 22 de abril. A NASA espera que este protótipo um dia leve a equipamentos que permitam aos astronautas criar combustível de foguete e ar respirável enquanto estava em Marte.

No entanto, para ajudar esses protótipos a se tornarem produtos comerciais, eles precisarão manter seu desempenho em altas temperaturas durante longos períodos de tempo, disse Nicholas, professor associado da Faculdade de Engenharia.

Ele foi atraído para este campo depois de anos usando células a combustível de óxido sólido, que funcionam como células de eletrólise de óxido sólido ao contrário. Em vez de utilizarem energia para criar gases ou combustível, criam energia a partir desses produtos químicos.

“As células a combustível de óxido sólido funcionam com gases em altas temperaturas. Somos capazes de reagir eletroquimicamente esses gases para extrair eletricidade e esse processo é muito mais eficiente do que explodir combustível como faz um motor de combustão interna”, disse Nicholas, que lidera um laboratório no Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais.

Mas mesmo sem explosões, a célula de combustível precisa resistir a condições de trabalho intensas.

“Esses dispositivos geralmente operam em torno de 700 a 800 graus Celsius e precisam fazer isso por um longo período de tempo – 40,000 mil horas durante sua vida útil”, disse Nicholas. Para efeito de comparação, isso é aproximadamente 1,300 a 1,400 graus Fahrenheit, ou cerca do dobro da temperatura de um forno de pizza comercial.

“E ao longo dessa vida, você estará realizando ciclos térmicos”, disse Nicholas. “Você está esfriando e aquecendo novamente. É um ambiente muito extremo. Você pode fazer com que os cabos do circuito se soltem.”

Assim, um dos obstáculos enfrentados por esta tecnologia avançada é bastante rudimentar: o circuito condutor, muitas vezes feito de prata, precisa aderir melhor aos componentes cerâmicos subjacentes.

O segredo para melhorar a adesão, descobriram os pesquisadores, era adicionar uma camada intermediária de níquel poroso entre a prata e a cerâmica.

Ao realizar experimentos e simulações computacionais de como os materiais interagem, a equipe otimizou a forma como depositou o níquel na cerâmica. E para criar camadas finas e porosas de níquel na cerâmica em um padrão ou desenho de sua escolha, os pesquisadores recorreram à serigrafia.

“É a mesma serigrafia usada para fazer camisetas”, disse Nicholas. “Somos apenas serigrafias eletrônicas em vez de camisas. É uma técnica muito fácil de fabricar.”

Uma vez colocado o níquel, a equipe o coloca em contato com a prata que derreteu a uma temperatura de cerca de 1,000 graus Celsius. O níquel não apenas resiste a esse calor – seu ponto de fusão é de 1,455 graus Celsius – mas também distribui a prata liquefeita uniformemente sobre suas finas características, usando o que é chamado de ação capilar.

“É quase como uma árvore”, disse Nicholas. “Uma árvore leva água até os galhos por ação capilar. O níquel absorve a prata derretida através do mesmo mecanismo.”

Depois que a prata esfria e solidifica, o níquel a mantém presa à cerâmica, mesmo no calor de 700 a 800 graus Celsius que enfrentaria dentro de uma célula de combustível de óxido sólido ou de uma célula de eletrólise de óxido sólido. E esta abordagem também tem o potencial de ajudar outras tecnologias, onde a electrónica pode funcionar a quente.

“Há uma grande variedade de aplicações eletrônicas que exigem placas de circuito que possam suportar altas temperaturas ou alta potência”, disse Jon Debling, gerente de tecnologia da MSU Technologies, escritório de transferência e comercialização de tecnologia do estado de Michigan. “Isso inclui aplicações existentes nos mercados automotivo, aeroespacial, industrial e militar, mas também aplicações mais recentes, como células solares e células de combustível de óxido sólido.”

Como gerente de tecnologia, Debling trabalha para comercializar inovações espartanas e para ajudar a patentear esse processo para a criação de eletrônicos mais resistentes.

“Esta tecnologia é uma melhoria significativa – em termos de estabilidade de custo e temperatura – em relação às tecnologias existentes de pasta e deposição de vapor”, disse ele.

De sua parte, Nicholas continua mais interessado nas aplicações de ponta no horizonte, coisas como células a combustível de óxido sólido e células de eletrólise de óxido sólido.

“Estamos trabalhando para melhorar sua confiabilidade aqui na Terra – e em Marte”, disse Nicholas.

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Também contribuíram para o projeto os pesquisadores de engenharia Spartan, Professor Assistente Hui-Chia Yu, Professor Timothy Hogan e Professor Thomas Bieler. Os estudantes de pós-graduação pesquisadores do projeto incluíram Genzhi Hu, Quan Zhou, Aiswarya Bhatlawande, Jiyun Park, Robert Termuhlen e Yuxi Ma (Zhou, Bhatlawande e Ma já se formaram).

Um dos co-líderes do projeto na Brown University, o professor Yue Qi, também tem ligações com a MSU. Ela atuou como professora e reitora associada inaugural de inclusão e diversidade na Faculdade de Engenharia até 2020.

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Caroline Brooks

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