Постоянное совершенствование электронных устройств требует неоднородной интеграции и сборки компонентов с все меньшими габаритами. Например,
- механические датчики, включая многоосные инерциальные датчики и акселерометры, имеют размеры меньше миллиметра,
- микросхемы для радиочастотной связи - 0,1 мм или меньше,
- микродиоды (LED) для дисплеев нового поколения - от 1 до 10 мкм в боковом направлении.
Кроме того, функциональные системы для приложений в области преобразования энергии, оптоэлектроники и биотехнологий могут быть реализованы путем манипулирования сложными трехмерными (3D) микро- и наноматериалами.
В настоящее время автоматизированная сборка на месте является эталоном техники изготовления печатных плат и интеграции миниатюрных датчиков в системы на кристалле. Однако, несмотря на достижения в области миниатюрных роботизированных захватов и вакуумных сопел, манипулирование становится все более сложной задачей по мере уменьшения размера объекта. Поскольку силы тяжести уменьшаются быстрее, чем силы Ван дер Ваальса или электростатического притяжения.
Прихотливые микромеханические захваты страдают от прилипания и не могут надежно размещать микромасштабные объекты без помощи вторичных клеевых поверхностей. Поэтому для печати на небольших масштабах необходимы манипуляторы с поверхностями, которые могут многократно переключаться между сильной адгезией для захвата объекта и слабой адгезией для размещения объекта. Гетерогенная интеграция без непосредственного физического манипулирования возможна с помощью методов самостоятельной сборки. Однако, точное управление размерами и точность самосборки на дальнем расстоянии являются сложными задачами.
Для конструирования перестраиваемой поверхности клея требуется управление как наноразмерной контактной механикой, так и обратимым механизмом. С помощью него можно изменять силы притяжения между поверхностью и целевым объектом, в идеале не требуя применения сдвига, нагрева или химических реакций. Для реализации такой функциональности был представлен мягкий нанокомпозит. Он состоит из самосборных нановолокон, которые с помощью электрически переключаемой адгезии могут достичь цифрового управления передаточной печатью микро- и наноразмерных объектов.
Мягкий нанокомпозитный электродорожный клей (SNE) обладает очень низкой внутренней сухой адгезией через неровности и уменьшенную площадь контакта. Регулируемое по напряжению электростатическое притяжение создает сильную силу притяжения. Она может преодолеть внутреннюю адгезию микро- и наноструктур к донорским субстратам. Такой клей отличается от известных электростатических захватов и электротравматических пленок тем, что поверхность состоит из разреженных нановолокон, которые не склеиваются, но могут быть сильно сжаты. Таким образом, он может контактировать с миниатюрными объектами без применения электростатической силы, не прилипая к ним. Нанокомпозитные волокна являются токопроводящими, но покрыты ультратонким диэлектриком, что позволяет достичь значительного электростатического давления при низком рабочем напряжении.
Разработаны и изготовлены мягкие нанокомпозиты, состоящие из "лесов" вертикально выровненных многостенных углеродных нанотрубок, выращенных на проводящем электроде, а затем покрытых тонким слоем диэлектрика. Для изучения электрической подвижности адгезии были проведены измерения адгезивных сил при различных приложенных напряжениях с помощью атомно-силовой микроскопии со сферическим наконечником.
- В микроманипуляции низкая адгезия важна для детерминированного высвобождения объектов с поверхности захвата.
- Высокая адгезия позволяет отбирать объекты из донорских субстратов, которые имеют высокую внутреннюю адгезию к объекту.
Использование сферического наконечника, состоящего из металлической сферы, непосредственно прикрепленной к проводящему кантилеверу, может повысить точность измерения.
Низкая адгезия внештатного блока обусловлена низкой плотностью волокнистой текстуры и шероховатостью наноразмеров, которые способствуют низкой эффективной площади контакта с противоположной поверхностью. Таким образом, на границе раздела будет эффективно контактировать лишь несколько выступающих нанокомпозитных волокон поверхности клея. Только эти контактные волокна способствуют адгезии поверхности во время втягивания, так как окружающие бесконтактные волокна не способствуют адгезии ван дер Ваальса.
Адгезия на состоянии определяется электростатическим зарядом, накопленным на нановолокнах как в контакте с поверхностью объекта, так и вблизи нее, поскольку электростатические силы действуют на расстояниях, превышающих силы Ван дер Ваальса. В результате электростатическое притяжение клея к объекту может быть значительно больше, чем притяжение Ван дер Ваальса, особенно для шероховатых поверхностей. Мягкий нанокомпозитный клей может привлекать как гладкие, так и шероховатые поверхности благодаря своей совместимости и электростатическому притяжению на большие расстояния. Помимо контроля электростатического заряда на границе раздела фаз, прочность адгезива на месте соединения может быть определена свойствами материала и геометрией иерархической поверхности клея.
В заключение следует отметить, что способность мягких наноструктурированных поверхностей электрически переключать сухую адгезию как к металлическим, так и к диэлектрическим объектам может стать удачной альтернативой появляющимся технологиям трансферной печати, требующим термо- или химически переключаемой адгезии. Кроме того, такой клей может также способствовать биомимикрии природных поверхностей, использующих полимер подобные материалы и сложные механические движения для обеспечения прочной адгезии при движении.
Литографическое структурирование клея "пикселей" произвольной формы, наряду с их электрической адресуемостью, позволяет использовать цифровые марки для крупномасштабных микро- и наноразмерных оптических и электронных устройств нового поколения. Кроме того, клей на основе 3D микроархитектур может использоваться для создания активных опор и площадок миниатюрных подъемных роботов и устройств микрозахватов. Применение мягкого клея в макроманипуляциях также возможно, поскольку максимальная адгезионная прочность сопоставима с плоскими электродорожными клеями. Однако прочность многих циклических контактов и влияние накопления и рассеивания заряда на максимальную скорость работы требуют дальнейшей проверки для индустриализации.