En diciembre de 2023, el Acelerador de Convergencia de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF), que forma parte de la Dirección del TIP, seleccionó dos equipos dirigidos por investigadores del MIT para recibir premios de 5 millones de dólares cada uno durante tres años, con el objetivo de llevar a cabo investigaciones destinadas a ayudar a reducir - Llevar nuevos materiales y procesos sostenibles desde el laboratorio a una producción industrial práctica a gran escala. La selección se realizó después de que el año pasado se eligieran 16 equipos de todo el país para recibir subvenciones de un año para desarrollar planes detallados para futuras investigaciones destinadas a resolver problemas de sostenibilidad y escalabilidad para productos electrónicos avanzados.

De los dos equipos liderados por el MIT elegidos para esta ronda de financiación actual, un equipo, Topological Electric, está dirigido por Mingda Li, profesora asociada del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear. Este equipo encontrará vías para ampliar los materiales topológicos sostenibles , que tienen el potencial de revolucionar la microelectrónica de próxima generación al mostrar un rendimiento electrónico superior, como estados sin disipación o respuesta de alta frecuencia. El otro equipo, dirigido por Anuradha Agarwal, investigadora principal del Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT, se centrará en el desarrollo de nuevos materiales, dispositivos y procesos de fabricación de microchips que minimicen el consumo de energía mediante la integración fotónica electrónica y que detecten y eviten la materiales tóxicos o escasos utilizados en los métodos de producción actuales.

Escalar el uso de materiales topológicos.

Li explica que algunos materiales basados ​​en efectos cuánticos han logrado transiciones exitosas de curiosidades de laboratorio a producción en masa exitosa, como los LED de luz azul y los dispositivos de magnetorestancia gigante (GMR) utilizados para el almacenamiento de datos magnéticos. Pero dice que hay una variedad de materiales igualmente prometedores que se han mostrado prometedores pero que aún no se han convertido en aplicaciones en el mundo real.

"Lo que realmente queríamos lograr es incorporar materiales cuánticos de nueva generación a la tecnología y la producción en masa, en beneficio de la sociedad en general", afirma. En particular, afirma, “los materiales topológicos son realmente prometedores para hacer muchas cosas diferentes”.

Los materiales topológicos son aquellos cuyas propiedades electrónicas están fundamentalmente protegidas contra perturbaciones. Por ejemplo, Li señala el hecho de que sólo en los últimos dos años se ha demostrado que algunos materiales topológicos son incluso mejores conductores eléctricos que el cobre, que normalmente se utiliza para los cables que interconectan componentes electrónicos. Pero a diferencia de los LED de luz azul o los dispositivos GMR, que se han producido y utilizado ampliamente, cuando se trata de materiales topológicos, "no hay ninguna empresa, ninguna startup, realmente no hay negocio ahí fuera", añade Tomás Palacios, el Clarence J Profesor Lebel de Ingeniería Eléctrica en el MIT y coinvestigador principal del equipo de Li. Parte de la razón es que muchas versiones de tales materiales se estudian “centrándose en propiedades físicas exóticas fundamentales con poca o ninguna consideración sobre los aspectos de sostenibilidad”, dice Liang Fu, profesor de física del MIT y también co-PI. Su equipo buscará formulaciones alternativas que sean más susceptibles de producción en masa.

Una posible aplicación de estos materiales topológicos es la detección de radiación de terahercios, explica Keith Nelson, profesor de química del MIT y co-PI. Esta electrónica de frecuencia extremadamente alta puede transportar mucha más información que la radio o las microondas convencionales, pero en la actualidad no hay dispositivos electrónicos maduros disponibles que sean escalables en este rango de frecuencia. "Existe toda una gama de posibilidades para materiales topológicos" que podrían funcionar en estas frecuencias, afirma. Además, afirma, "esperamos demostrar un sistema prototipo completo como este en una única plataforma de estado sólido muy compacta".

Li dice que entre las muchas aplicaciones posibles de dispositivos topológicos para dispositivos microelectrónicos de diversos tipos, “no sabemos exactamente cuál terminará como producto o alcanzará una escala industrial real. Es por eso que esta oportunidad de NSF es como un puente, que es precioso, que nos permitirá profundizar más y liberar el verdadero potencial”.

Además de Li, Palacios, Fu y Nelson, el equipo de Topological Electric incluye a Qiong Ma, profesor asistente de física en Boston College; Farnaz Niroui, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en el MIT; Susanne Stemmer, profesora de materiales de la Universidad de California en Santa Bárbara; Judy Cha, profesora de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Cornell; socios industriales, incluidos IBM, Analog Devices y Raytheon; y consultores profesionales. "Estamos tomando en serio esta oportunidad", afirma Li. "Realmente queremos ver si los materiales topológicos son tan buenos como mostramos en el laboratorio cuando se amplían, y hasta dónde podemos llegar para industrializarlos ampliamente".

Hacia la producción y el uso sostenibles de microchips

Los microchips detrás de todo, desde los teléfonos inteligentes hasta las imágenes médicas, están asociados con un porcentaje significativo de las emisiones de gases de efecto invernadero en la actualidad, y cada año el mundo produce más de 50 millones de toneladas métricas de desechos electrónicos, el equivalente a unas 5.000 Torres Eiffel. Además, los centros de datos necesarios para cálculos complejos y enormes cantidades de transferencia de datos (pensemos en la IA y el vídeo bajo demanda) están creciendo y requerirán el 10 por ciento de la electricidad mundial para 2030.

“La actual cadena de suministro de fabricación de microchips, que incluye la producción, la distribución y el uso, no es escalable ni sostenible y no puede continuar. Debemos innovar para salir de esta crisis”, afirma Agarwal.

El nombre del equipo de Agarwal, FUTUR-IC, es una referencia al futuro de los circuitos integrados, o chips, a través de una alianza global para la fabricación sostenible de microchips. Dice Agarwal: “Reunimos a partes interesadas de la industria, el mundo académico y el gobierno para cooptimizar en tres dimensiones: tecnología, ecología y fuerza laboral. Unas 140 partes interesadas las identificaron como áreas clave interrelacionadas. Con FUTUR-IC pretendemos reducir los residuos y las emisiones equivalentes de CO2 asociadas con la electrónica en un 50 por ciento cada 10 años”.

Se prevé que el mercado de la microelectrónica en la próxima década será del orden de un billón de dólares, pero la mayor parte de la fabricación para la industria se produce sólo en zonas geográficas limitadas alrededor del mundo. FUTUR-IC tiene como objetivo diversificar y fortalecer la cadena de suministro para la fabricación y embalaje de productos electrónicos. La alianza cuenta con 26 colaboradores y está creciendo. Los colaboradores externos actuales incluyen la Iniciativa Internacional de Fabricación de Electrónica (iNEMI), el Instituto Nacional Tyndall, SEMI, Hewlett Packard Enterprise, Intel y el Instituto de Tecnología de Rochester.

Agarwal dirige FUTUR-IC en estrecha colaboración con otros, entre ellos, del MIT, Lionel Kimerling, profesor Thomas Lord de Ciencia e Ingeniería de Materiales; Elsa Olivetti, profesora de ingeniería Jerry McAfee; Randolph Kirchain, científico investigador principal del Laboratorio de Investigación de Materiales; y Greg Norris, director de la Iniciativa de Sostenibilidad y Salud del MIT para NetPositive Enterprise (SHINE). Todos están afiliados al Laboratorio de Investigación de Materiales. A ellos se une Samuel Serna, profesor visitante del MIT y profesor asistente de física en la Universidad Estatal de Bridgewater. Otro personal clave incluye a Sajan Saini, director de educación de la Iniciativa para el Conocimiento y la Innovación en la Fabricación del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT; Peter O´Brien, profesor del Instituto Nacional Tyndall; y Shekhar Chandrashekhar, director ejecutivo de iNEMI.

"Esperamos que la integración de la electrónica y la fotónica revolucione la fabricación de microchips, mejore la eficiencia, reduzca el consumo de energía y allane el camino para avances sin precedentes en la velocidad de computación y las capacidades de procesamiento de datos", afirma Serna, codirector del proyecto. “vector” tecnológico.

Se necesitan métricas comunes para estos esfuerzos, dice Norris, codirector del vector ecológico, y agrega: "La industria de los microchips debe tener modelos y datos de evaluación del ciclo de vida (LCA) transparentes y abiertos, que están siendo desarrollados por FUTUR-IC". Esto es especialmente importante dado que la producción de microelectrónica trasciende las industrias. "Dada la escala y el alcance de la microelectrónica, es fundamental que la industria lidere la transición hacia la fabricación y el uso sostenibles", dice Kirchain, otro codirector y codirector del Concrete Sustainability Hub del MIT. Para lograr esta fertilización cruzada, el codirector Olivetti, también codirector del MIT Climate and Sustainability Consortium (MCSC), colaborará con FUTUR-IC para mejorar los beneficios del reciclaje de microchips, aprovechando el aprendizaje en todas las industrias.

Saini, codirector del vector de fuerza laboral, enfatiza la necesidad de agilidad. "Con una fuerza laboral que se adapta a una práctica de mejora continua de las habilidades, podemos ayudar a aumentar la solidez de la cadena de suministro de fabricación de chips y validar un nuevo diseño para un plan de estudios de sostenibilidad", afirma."Nos hemos acostumbrado a los beneficios generados por el crecimiento exponencial del rendimiento de la tecnología microelectrónica y el tamaño del mercado", dice Kimerling, quien también es director del Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT y codirector del Centro de Microfotónica del MIT. “El impacto ecológico de este crecimiento en términos de uso de materiales, consumo de energía y eliminación al final de su vida útil ha comenzado a contrarrestar este progreso. Creemos que las soluciones diseñadas simultáneamente para estas tres dimensiones construirán una curva de aprendizaje común para impulsar los próximos 40 años de progreso en la industria de los semiconductores”.

Los equipos del MIT son dos de los seis que recibieron premios que abordan materiales sostenibles para desafíos globales a través de la fase dos del programa NSF Convergence Accelerator. Lanzado en 2019, el programa busca soluciones a desafíos especialmente convincentes a un ritmo acelerado mediante la incorporación de un enfoque de investigación multidisciplinario.