El MIT fabrica pequeños ROBOTS DE GRAFENO

Pequeños robots no más grandes que una célula podrían ser producidos en masa utilizando un nuevo método desarrollado por investigadores del MIT. Los dispositivos microscópicos, que el equipo llama "syncells" (abreviatura de células sintéticas), podrían eventualmente usarse para monitorear las condiciones dentro de un oleoducto o gasoducto, o para buscar enfermedades mientras flotan en el torrente sanguíneo.

La clave para fabricar dispositivos tan pequeños en grandes cantidades radica en un método que el equipo desarrolló para controlar el proceso de fracturación natural de materiales frágiles y atómicamente delgados, dirigiendo las líneas de fractura para que produzcan bolsas minúsculas de un tamaño y forma predecibles. Dentro de estos bolsillos hay circuitos electrónicos y materiales que pueden recopilar, registrar y emitir datos.

El novedoso proceso, llamado "autoperforación", se describe en un artículo publicado hoy en la revista Nature Materials, por el profesor del MIT Michael Strano, el postdoc Pingwei Liu, el estudiante graduado Albert Liu y otros ocho en el MIT.

El sistema utiliza una forma bidimensional de carbono llamada grafeno, que forma la estructura externa de los pequeños síncrolos. Una capa del material se coloca sobre una superficie, luego pequeños puntos de un material polimérico, que contiene la electrónica para los dispositivos, son depositados por una sofisticada versión de laboratorio de una impresora de inyección de tinta. Luego, se coloca una segunda capa de grafeno en la parte superior.

Fractura controlada

La gente piensa que el grafeno, un material ultrafino pero extremadamente fuerte, es "flojo", pero en realidad es quebradizo, explica Strano. Pero en lugar de considerar que la fragilidad era un problema, el equipo descubrió que podría usarse a su favor.

"Descubrimos que se puede usar la fragilidad", dice Strano, quien es el profesor de Ingeniería Química carbonográfica P. Dubbs en el MIT. "Es contradictorio. Antes de este trabajo, si me hubieras dicho que podías fracturar un material para controlar su forma a nanoescala, me habría sentido incrédulo".

Pero el nuevo sistema hace precisamente eso. Controla el proceso de fracturación para que en lugar de generar fragmentos aleatorios de material, como los restos de una ventana rota, produzca piezas de forma y tamaño uniformes. "Lo que descubrimos es que se puede imponer un campo de tensión para hacer que la fractura sea guiada, y se puede usar eso para la fabricación controlada", dice Strano.

Cuando la capa superior de grafeno se coloca sobre la matriz de puntos de polímero, que forman formas de pilares redondos, los lugares donde el grafeno cubre los bordes redondos de los pilares forman líneas de alta tensión en el material. Como lo describe Albert Liu, "imagina un mantel cayendo lentamente sobre la superficie de una mesa circular. Uno puede visualizar muy fácilmente la tensión circular en desarrollo hacia los bordes de la mesa, y eso es muy análogo a lo que sucede cuando una lámina plana de grafeno se pliega alrededor de estos pilares de polímero impreso".

Como resultado, las fracturas se concentran a lo largo de esos límites, dice Strano. "Y entonces sucede algo bastante sorprendente: el grafeno se fracturará por completo, pero la fractura se guiará alrededor de la periferia del pilar". El resultado es una pieza ordenada y redonda de grafeno que parece como si hubiera sido limpiamente cortada por un agujero microscópico.

Debido a que hay dos capas de grafeno, por encima y por debajo de los pilares de polímero, los dos discos resultantes se adhieren en sus bordes para formar algo así como una pequeña bolsa de pan de pita, con el polímero sellado en el interior. "Y la ventaja aquí es que esto es esencialmente un solo paso", en contraste con muchos pasos complejos de sala limpia que necesitan otros procesos para tratar de fabricar dispositivos robóticos microscópicos, dice Strano.

Los investigadores también han demostrado que otros materiales bidimensionales además del grafeno, como el disulfuro de molibdeno y el boronitrida hexagonal, funcionan igual de bien.Reproducir vídeo

Robots similares a células

Con un tamaño que va desde el de un glóbulo rojo humano, de unos 10 micrómetros de ancho, hasta aproximadamente 10 veces ese tamaño, estos pequeños objetos "comienzan a verse y comportarse como una célula biológica viva. De hecho, bajo un microscopio, probablemente podrías convencer a la mayoría de las personas de que es una célula", dice Strano.

Este trabajo sigue la investigación anterior de Strano y sus estudiantes sobre el desarrollo de síncrolos que podrían recopilar información sobre la química u otras propiedades de su entorno utilizando sensores en su superficie, y almacenar la información para su posterior recuperación, por ejemplo, inyectando un enjambre de tales partículas en un extremo de una tubería y recuperándolas en el otro para obtener datos sobre las condiciones dentro de ella. Si bien los nuevos syncells aún no tienen tantas capacidades como los anteriores, se ensamblaron individualmente, mientras que este trabajo demuestra una forma de producir fácilmente en masa tales dispositivos.

Aparte de los usos potenciales de los syncells para el monitoreo industrial o biomédico, la forma en que se fabrican los pequeños dispositivos es en sí misma una innovación con un gran potencial, según Albert Liu. "Este procedimiento general de usar fractura controlada como método de producción se puede extender a través de muchas escalas de longitud", dice. "[Potencialmente podría usarse con] esencialmente cualquier material 2-D de elección, en principio permitiendo a los futuros investigadores adaptar estas superficies atómicamente delgadas en cualquier forma o forma deseada para aplicaciones en otras disciplinas".

Esta es, dice Albert Liu, "una de las únicas formas disponibles en este momento para producir microelectrónica integrada independiente a gran escala" que puede funcionar como dispositivos independientes y flotantes. Dependiendo de la naturaleza de la electrónica en el interior, los dispositivos podrían contar con capacidades de movimiento, detección de diversos productos químicos u otros parámetros, y almacenamiento de memoria.

Hay una amplia gama de nuevas aplicaciones potenciales para tales dispositivos robóticos del tamaño de una célula, dice Strano, quien detalla muchos de estos posibles usos en un libro del que es coautor con Shawn Walsh, un experto de Army Research Laboratories, sobre el tema, llamado "Sistemas robóticos y plataformas autónomas", que se publica este mes por Elsevier Press.

Como demostración, el equipo "escribió" las letras M, I y T en una matriz de memoria dentro de un síncron, que almacena la información como diferentes niveles de conductividad eléctrica. Esta información se puede "leer" utilizando una sonda eléctrica, lo que demuestra que el material puede funcionar como una forma de memoria electrónica en la que los datos se pueden escribir, leer y borrar a voluntad. También puede retener los datos sin necesidad de energía, lo que permite recopilar información en un momento posterior. Los investigadores han demostrado que las partículas son estables durante un período de meses, incluso cuando flotan en el agua, que es un disolvente duro para la electrónica, según Strano.

"Creo que abre un conjunto de herramientas completamente nuevo para la micro y nanofabricación", dice.

Daniel Goldman, profesor de física en Georgia Tech, que no participó en este trabajo, dice: "Las técnicas desarrolladas por el grupo del profesor Strano tienen el potencial de crear dispositivos inteligentes a microescala que pueden realizar tareas juntas que ninguna partícula puede lograr por sí sola".

Además de Strano, Pingwei Liu, que ahora está en la Universidad de Zhejiang en China, y Albert Liu, un estudiante graduado en el laboratorio de Strano, el equipo incluyó al estudiante graduado del MIT Jing Fan Yang, los postdoctorados Daichi Kozawa, Juyao Dong y Volodomyr Koman, Youngwoo Son PhD '16, el afiliado de investigación Min Hao Wong y el estudiante de Dartmouth College Max Saccone y el académico visitante Song Wang. El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Oficina de Investigación del Ejército a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT.

Fuentes: MIT News, New Atlas e The Engeneer