Investigadores españoles del CSIC crean un material cerámico impreso en 3D que podría sustituir a los semiconductores de los chips

El proyecto en el que nos vamos a meter de lleno en este artículo se llama PRIME y su objetivo es fabricar un material cerámico impreso en 3D con propiedades eléctricas avanzadas, usando como materia prima un derivado de la celulosa vegetal. Este ya recibió financiación de la convocatoria europea M-ERA.net, uno de los programas científicos más competitivos del continente.

Con orgullo, lo lidera desde España Bernd Wicklein, investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), junto a socios en Alemania y Eslovenia. ¿Y qué tiene de relevante? Pues todo radica en el resultado, que involucra a componentes que actualmente se obtienen mediante procesos costosos y lentos, pero que PRIME produce en una única etapa de fabricación.

El cerámico impreso en 3D del CSIC que podría sustituir a los semiconductores de silicio

La clave del material que nos compete en este artículo está en la nanocelulosa: nanopartículas de celulosa de dimensiones del orden de la millonésima parte de un milímetro, derivadas de biomasa vegetal.

Estas partículas se mezclan con la pasta cerámica y, una vez impreso el componente, reciben un tratamiento térmico ultrarrápido que las transforma en nanoestructuras carbonosas conductoras. El resultado es una cerámica que conduce la electricidad, algo que los materiales cerámicos convencionales no pueden hacer sin aditivos metálicos.

Bernd Wicklein, investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), lidera la parte española del proyecto y resume en un comunicado oficial el principio que guía el proceso: «Queremos hacerlo tan rápido porque gastamos menos energía eléctrica».

Lo que Wicklein señala, lo hace en referencia al tratamiento térmico que reemplaza horas de calentamiento convencional por apenas unos minutos.

Tres países, una sola pieza: cómo se fabrica este cerámico impreso en 3D

Para llegar a la pieza final, el proceso se divide entre tres equipos y sus respectivas fases, detalladas a continuación:

1. El ICMM-CSIC prepara en Madrid la mezcla cerámica con nanocelulosa, basada en una patente previa del propio centro.
2. Esa mezcla viaja a Alemania, donde la empresa Amarea Technology GmbH (líder del consorcio) la imprime en una impresora 3D multimaterial capaz de combinar distintos tipos de pasta cerámica en una sola pieza.
3. El componente pasa después a Eslovenia, donde el Instituto Jozef-Stefan aplica el tratamiento térmico ultrarrápido.

Ese tratamiento alcanza los 1.250 grados en solo dos minutos y medio, frente a las varias horas que requiere la cerámica convencional.

La rapidez, además de reducir el consumo eléctrico, también genera una microestructura más refinada y homogénea, con las partículas mejor distribuidas dentro del material. Las piezas regresan finalmente a Madrid para verificar que sus propiedades eléctricas cumplen las especificaciones.

Los porta-chips: la primera aplicación en la industria de chips

Los primeros prototipos del proyecto son los llamados wafer chucks (porta-chips). Estos son los dispositivos que sujetan y posicionan las obleas de silicio durante la fabricación de chips.

Cada uno de ellos es un componente cerámico impreso en 3D que debe combinar zonas que conduzcan la electricidad con otras que disipen el calor, una combinación que los materiales convencionales solo logran con recubrimientos o ensamblajes metálicos adicionales.

La impresión 3D multimaterial resuelve ese problema. Esto es porque permite integrar en una misma pieza, en un solo proceso, regiones conductoras, aislantes, calentadores, electrodos y sensores.

Desde luego, eso elimina ensamblajes entre piezas separadas, reduce costes y disminuye el material que se desperdicia en cada ciclo de producción. El sector semiconductor, que trabaja con tolerancias extremadamente ajustadas, valora especialmente esa capacidad de concentrar múltiples funciones en una sola estructura sin perder precisión.

Biomasa en lugar de minerales críticos: ¿Por qué este proyecto es un mimo para el medioambiente?

Más allá de la aplicación técnica, PRIME tiene una dimensión estratégica y ambiental. Recordemos que la industria de semiconductores depende hoy de materias primas como el cobalto, el galio o el indio, cuya extracción se concentra en un puñado de países y genera riesgos de suministro que los últimos años han hecho visibles.

Sustituir parte de esos insumos por nanocelulosa (un material que se obtiene de la madera o de residuos vegetales) reduciría esa dependencia.

Desde luego, el proceso de consolidación ultrarrápida también recorta las emisiones de CO₂ asociadas a la fabricación, lo que alinea el proyecto con el Pacto Verde Europeo y la política de economía circular de Bruselas.

Y por último, eso explica, en parte, por qué captó financiación europea y por qué más de seis empresas internacionales del sector ya han expresado su disposición a validar los resultados antes de que el proyecto concluya.