美國麻省理工學(xué)院團(tuán)隊在電子制造領(lǐng)域取得一項重要進(jìn)展：他們利用全3D打印技術(shù)，制作出了不需要半導(dǎo)體材料的有源電子設(shè)備器件。這一突破性研究發(fā)表在新一期《虛擬與物理原型》雜志上，為將來的電子制造開辟了新途徑。

橫截面積變化的3D打印導(dǎo)電跡線在高電流作用下的行為示例。由多個串聯(lián)幾何圖形組成的3D打印電路的光學(xué)圖像（左），施加10mA（中）和50mA（右）電流時的電路熱圖像（a）。施加變化電流時，圖3a中顯示的3D打印電路不同部分的電阻隨時間的變化（b）。圖片來源：《虛擬和物理原型》

團(tuán)隊使用普通的3D打印機(jī)和成本低廉、可生物降解的材料，打印了這些無半導(dǎo)體器件。雖然這些器件性能還不足以與傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管相比，但它們已能執(zhí)行一些基本的控制任務(wù)，比如調(diào)節(jié)電動機(jī)的速度。這項新技術(shù)使用的能量較少，產(chǎn)生的廢物也更少，不僅降低了生產(chǎn)成本，還減少了對環(huán)境的影響。

實(shí)驗(yàn)過程中，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)摻雜銅納米顆粒的聚合物細(xì)絲具有一種特別的現(xiàn)象：當(dāng)通過大電流時，材料會表現(xiàn)出顯著的電阻增加；而一旦停止供電，其電阻又迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)。這種特性使該材料可被用作開關(guān)元件，類似于半導(dǎo)體中的晶體管。團(tuán)隊嘗試了多種不同摻雜物（包括碳、碳納米管以及石墨烯）的聚合物細(xì)絲，但只有含銅納米顆粒的細(xì)絲展現(xiàn)出了自復(fù)位能力。

基于這種現(xiàn)象，團(tuán)隊認(rèn)為，電流導(dǎo)致的熱效應(yīng)或使銅粒子擴(kuò)散開來，增加了電阻；而在冷卻后，銅粒子重新聚集，電阻隨之降低。此外，聚合物基質(zhì)從結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)再轉(zhuǎn)回的過程，也可能對電阻的變化有所貢獻(xiàn)。

利用這一原理，團(tuán)隊開發(fā)出一種新型邏輯門，它由銅摻雜聚合物制成的細(xì)絲構(gòu)成，可以通過調(diào)整輸入電壓來控制電阻變化。

此外，向聚合物細(xì)絲中添加其他功能性微粒，還可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜多樣的應(yīng)用。

這一成果展示了未來小型企業(yè)自主生產(chǎn)簡單智能硬件的可能性。