Vias, tinta conductiva y nanoparticulas de cobre

Durante las últimas semanas hemos estado investigando sobre como mejorar el proceso de fabricación de las vías usando TwinTeeth.

Para hacer las vías en plan DIY, existen diversos sistemas en el mercado basados en pequeños remaches, epoxy conductivo o  mediante electro-plateado, que es el método que se usa a nivel industrial. Además está el sistema tradicional que consiste en introducir un pequeño hilo en cada vía, soldarlo en ambos extremos y cortarlo. Si tenemos por ejemplo 100 vías en nuestro circuito, tendremos que hacer 200 soldaduras. Esto nos puede llevar algo de tiempo, pero además es aburrido, absurdo, produce melancolía y podemos cometer fallos difíciles de detectar.

Ninguno de estos métodos nos convence y estamos seguros que se puede mejorar mucho en este aspecto con la ayuda de un robot como TwinTeeth.

El principal problema a la hora de buscar una alternativa a la soldadura o al electro-plateado es la conductividad del material. Por ello principalmente se utilizan compuestos de plata que encarecen la solución. El grafeno parece que viene a sustituirla, pero en el momento de escribir este artículo tampoco es barato.

Empezamos investigando sobre él y cómo hacer tinta conductiva con óxido de grafeno pero las muestras para hacer las pruebas eran muy caras.  La idea era hacer tinta o pasta conductiva para rellenar las vías. Y ya que íbamos a hacer tinta conductiva también podíamos "pintar circuitos"  que es el segundo objetivo de este proyecto.

Seguimos creyendo en métodos aditivos para fabricar circuitos y también en hacerlos en 3D pero no es nada sencillo. Parece mentira que a estas alturas del desarrollo tecnológico no exista algo a nivel DIY en este sentido, pero es así.

Después del grafeno y sus desorbitados precios, pasamos a la plata que es el siguiente metal en la lista de conductividad. Las últimas investigaciones sobre tintas reactivas de plata son prometedoras y parecen que dan muy buenos resultados. La mayoría están basados en esta publicación:    "Reactive Silver Inks for Patterning High-Conductivity Features at Mild Temperatures" - S. Brett Walker and Jennifer A. Lewis.

Aquí podéis ver un video sobre cómo se hace esta tinta en casa:  "Make conductive silver ink".

No parece complicado, aunque el nitrato de plata (necesario para hacer el acetato) cuesta unos 50€ los 25 gramos. Habrá que ver luego el producto final que nos queda, que seguro serán unos mililitros. Por otro lado a pesar de ser bastante reactivas todavía requieren un templado a unos 85-100ºC, es decir no curan a temperatura ambiente.

Pero hay algunos startups que han conseguido formulaciones que sí curan a temperatura ambiente y están fabricando rotuladores con la tinta. Por ejemplo este: http://www.electroninks.com/.

Estos rotuladores los podríamos usar en Twinteeth fácilmente. Es tan sencillo como instalarlos en el Cabezal de Ploteado.

Volviendo al tema de las vías, en el ranking de conductividad, después de la plata sólo nos queda el cobre, así que nos hemos puesto a investigar sobre cómo hacer tinta de nano-partículas de cobre.

Buscando en internet encontramos los videos de Robert Murray-Smith y sus experimentos con tinta conductiva. Tiene muchos videos muy instructivos sobre cómo hacer tinta conductiva de diversos tipos. El que más nos interesa es este: cómo fabricar tinta con nano-partículas de cobre. El procedimiento es sencillo, los materiales asequibles y no son demasiado peligrosos.

Antes de continuar es conveniente aclarar que nuestro nivel de química es de instituto. Lo poco que aprendimos fue allí y con un Cheminova que nos regalaron por navidad. Pero lo cierto es que Internet es un medio fantástico para ampliar conocimiento, y si tienes una cierta base para comprender lo que estás leyendo se pueden hacer muchas cosas.

Así que compramos 1 kg de Sulfato de Cobre, y 1 Kg de Acido Ascórbico (en total fueron unos 25€) y nos pusimos a fabricar nano-partículas de cobre. El acido ascórbico, a pesar del nombre tan ácido que tiene, es simple Vitamina-C.

Antes adaptamos rápidamente una vieja batidora estropeada para hacer las mezclas. Usamos una lata de leche en polvo de bebe para alojar el motor, así que le hemos puesto el nombre de "LactoMix" en homenaje a la famosa Thermomix©.

Pero conseguimos apenas un gramo.

Probamos incluso usando un emisor de ultrasonidos para ver si mejorábamos la producción, pero nada.

La resistividad del producto final es de 2-3Ohm por cm lineal. Creemos que es aceptable, al menos para hacer vías.

Probamos con unos 20 litros a ver qué obteníamos.

Y después de decantar la solución conseguimos unos pocos ml más. No demasiado la verdad. Lo hemos guardado como cobre en paño en un frasco de Apiretal.

Vamos a utilizarlo para hacer pruebas, pero ya hemos visto que aunque la producción es fácil y barata, el método no es muy productivo así que no cumple los requisitos.

Necesitamos una fuente productiva y barata de nano-partículas de cobre de alta conductividad. Estás existen en el mercado a precios de laboratorio, es decir, prohibitivos. Además el cobre oxida con mucha rapidez y es difícil encontrarlo en su estado puro ya que normalmente ya está recubierto de una película de óxido de cobre.

Curiosamente el óxido de cobre es barato y se vende en ebay. Cuesta unos 30€ el Kg, lo malo es que es un pésimo conductor de la electricidad. Leyendo algunas publicaciones sobre nano-partículas, hemos descubierto que hay formas de convertirlo en cobre metálico (Cu) mediante una reacción de reducción. En ella el oxido pierde el oxigeno y es lo que necesitamos.

Para provocar la reducción hay que añadir energía y se puede hacer mediante calor (templado), mediante combinación con otros compuestos, mediante flashing (con una lámpara de halógeno potente), mediante láser y/o algunas combinaciones de ellas.

Se puede combinar con hidrogeno, CO y nitrógeno con los siguientes resultados.

CuO + H₂ → Cu + H₂O

CuO + CO → Cu + CO₂

CuO + N₂ → Cu + N₂O₂

Pero la forma que más nos gusta es la del láser. Sabemos algo sobre láseres y tenemos fácil acceso a ellos. Además, es una forma selectiva de inducir la reacción, es decir, quizás podemos fabricar una pasta de nano-partículas de óxido de cobre reactivas a la luz UV.

Podríamos aplicarla con el Dispensador de Pasta en las vías y luego provocar la reacción con el láser y convertir el oxido de cobre en cobre metálico. Otra opción sería usar un láser IR para provocar la reducción mediante calor. Y finalmente otra que se nos occurre es cubrir la via con una pequeña campana e injectar unas gotas de nitrógeno líquido mientras le atizamos con el láser.

Cualquiera de las opciones tiene una cierta viabilidad en el entorno DIY y cumple los criterios de coste.

Así que hemos pedido un poco de oxido de cobre (II) para probar.

Mientras lo recibimos y seguimos aprendiendo, vamos a gastar las nano-partículas que hemos obtenido para hacer algunos nano-experimentos.

De todas formas creo que necesitamos asesoramiento químico. Si alguno de vosotros es químico o está estudiando química y tiene algo de idea sobre este tema, y está interesado en echarnos una mano por favor, poneros en contacto con nosotros, seguro que podemos colaborar.