Ingeniører opfinder en boblepen til at skrive med nanopartikler

Forskere fra Cockrell School of Engineering ved University of Texas i Austin har løst et problem inden for mikro- og nanofabrikation - hvordan man hurtigt, håndtere små partikler forsigtigt og præcist - det vil give forskere mulighed for lettere at bygge små maskiner, biomedicinske sensorer, optiske computere, solpaneler og andre enheder.

De har udviklet en enhed og teknik, kaldet boblepen litografi, der effektivt kan håndtere nanopartikler - de små stykker guld, silicium og andre materialer, der anvendes i nanofremstilling. Den nye metode er afhængig af mikrobobler til at indskrive, eller skriv, nanopartikler på en overflade.

Forskernes interesse for nanopartikler, som er mellem 1 og 100 nanometer store, er vokset hurtigt på grund af deres alsidighed og styrke. Nogle nanopartikler har optiske egenskaber, der er nyttige til elektronik. Andre har evnen til at absorbere solenergi. I biomedicinske applikationer, nanopartikler kan tjene som lægemiddelbærere eller billeddannende midler.

Men det kan være svært at arbejde med disse partikler og samtidig bevare deres egenskaber og funktioner intakte. Og eksisterende litografimetoder, som bruges til at ætse eller mønstre materialer på et underlag, er ikke i stand til at fiksere nanopartikler til et bestemt sted med præcis og vilkårlig kontrol.

Et forskerhold ledet af Texas Engineering assisterende professor Yuebing Zheng har opfundet en måde at håndtere disse små partikler og låse dem på plads uden at beskadige dem. Ved at bruge mikrobobler til forsigtigt at transportere partiklerne, boblepenlitografiteknikken kan hurtigt arrangere partikler i forskellige former, størrelser, sammensætninger og afstande mellem nanostrukturer. Denne avancerede kontrol er nøglen til at udnytte deres egenskaber. Holdet, som omfatter Cockrell School lektor Deji Akinwande og professor Andrew Dunn, beskrive deres patenterede anordning og teknik i et papir offentliggjort i 13. januar-udgaven af Nano bogstaver .

Ved at bruge deres boblepen-enhed, forskerne fokuserer en laser under et ark af guld nanoøer (nanoskala øer) for at generere et hotspot, der skaber en mikroboble ud af fordampet vand. Boblen tiltrækker og fanger en nanopartikel gennem en kombination af gastryk, termisk og overfladespænding, overfladeadhæsion og konvektion. Laseren styrer derefter mikroboblen for at flytte nanopartiklerne på et sted på overfladen. Når laseren er slukket, mikroboblen forsvinder, efterlader partiklen på overfladen. Hvis det er nødvendigt, forskerne kan udvide eller reducere størrelsen af ​​mikroboblen ved at øge eller mindske laserstrålens effekt.

"Evnen til at kontrollere en enkelt nanopartikel og fiksere den til et substrat uden at beskadige den kunne åbne op for store muligheder for at skabe nye materialer og enheder, " sagde Zheng. "Evnen til at arrangere partiklerne vil hjælpe med at fremme en klasse af nye materialer, kendt som metamaterialer, med egenskaber og funktioner, der ikke findes i nuværende naturmaterialer."

Teknikken kunne være særlig nyttig for videnskab og medicin, fordi forskere ville være i stand til præcist at kontrollere celler, biologisk materiale, bakterier eller vira til undersøgelse og testning, Zheng tilføjede.

I øvrigt, boblepenlitografi kan udnytte et designsoftwareprogram på samme måde som en 3D-printer, så den kan afsætte nanopartikler i realtid i et forprogrammeret mønster eller design. Forskerne var i stand til at skrive UT Austin Longhorn-symbolet og skabe en kuppelform ud af nanopartikelperler.

I sammenligning med andre eksisterende litografimetoder, boblepenlitografi har flere fordele, siger Zheng. Først, Teknikken kan bruges til hurtigere at teste prototyper og ideer til enheder og materialer. Sekund, teknikken har potentiale til storskala, lavprisfremstilling af nanomaterialer og enheder. Andre litografiske teknikker kræver flere ressourcer og et rent rumsmiljø.

Zheng siger, at han håber at fremme boblepenlitografi ved at udvikle en flerstrålebehandlingsteknik til produktion af nanomaterialer og nanoenheder på industrielt niveau. Han planlægger også at udvikle en bærbar version af teknikken, der fungerer som en mobiltelefon til brug i prototyping og sygdomsdiagnostik.

Denne forskning modtog støtte fra Beckman Young Investigator Award.