Lysbaseret traktorstråle samler materialer på nanoskalaen

Moderne konstruktion er en præcisionsindsats. Bygherrer skal bruge komponenter fremstillet til at opfylde specifikke standarder - f.eks. Bjælker af en ønsket sammensætning eller nitter af en bestemt størrelse. Bygningsindustrien er afhængig af producenterne til at skabe disse komponenter pålideligt og reproducerbart for at konstruere sikre broer og skyskrabere.

Forestil dig nu konstruktion i en mindre skala - mindre end 1/100 af tykkelsen på et stykke papir. Dette er nanoskalaen. Det er den skala, hvormed forskere arbejder på at udvikle potentielt banebrydende teknologier inden for områder som kvantecomputing. Det er også en skala, hvor traditionelle fremstillingsmetoder simpelthen ikke vil fungere. Vores standardværktøjer, selv miniaturiseret, er for omfangsrige og for ætsende til reproducerbart at fremstille komponenter i nanoskalaen.

Forskere ved University of Washington har udviklet en metode, der kunne gøre reproducerbar fremstilling på nanoskala mulig. Teamet tilpassede en lysbaseret teknologi, der er bredt anvendt inden for biologi-kendt som optiske fælder eller optisk pincet-til at fungere i et vandfrit flydende miljø af kulstofrige organiske opløsningsmidler, derved muliggøre nye potentielle applikationer.

Som teamet rapporterer i et papir, der blev offentliggjort 30. oktober i tidsskriftet Naturkommunikation , den optiske pincet fungerer som en lysbaseret "traktorstråle", der kan samle nanoskala halvledermaterialer præcist i større strukturer. I modsætning til traktorbjælkerne fra science fiction, som griber rumskibe, teamet anvender den optiske pincet til at fange materialer, der er næsten en milliard gange kortere end en meter.

"Dette er en ny tilgang til nanoskala fremstilling, "sagde med-seniorforfatter Peter Pauzauskie, en UW lektor i materialevidenskab og teknik, fakultetsmedlem ved Molecular Engineering &Sciences Institute og Institute for Nano-engineered Systems, og en seniorforsker ved Pacific Northwest National Laboratory. "Der er ingen kammeroverflader involveret i fremstillingsprocessen, som minimerer dannelsen af ​​belastning eller andre defekter. Alle komponenterne suspenderes i opløsning, og vi kan kontrollere størrelsen og formen af ​​nanostrukturen, når den samles stykke for stykke. "

"Ved at bruge denne teknik i et organisk opløsningsmiddel kan vi arbejde med komponenter, der ellers ville nedbrydes eller korrodere ved kontakt med vand eller luft, "sagde co-seniorforfatter Vincent Holmberg, en UW -adjunkt i kemiteknik og fakultetsmedlem i Clean Energy Institute og Molecular Engineering &Sciences Institute. "Organiske opløsningsmidler hjælper os også med at overophedes det materiale, vi arbejder med, giver os mulighed for at styre materialetransformationer og drive kemi. "

For at demonstrere potentialet i denne tilgang, forskerne brugte den optiske pincet til at bygge en ny nanotråd heterostruktur, som er en nanotråd bestående af forskellige sektioner bestående af forskellige materialer. Udgangsmaterialerne til nanotråds heterostrukturen var kortere "nanoroder" af krystallinsk germanium, hver bare et par hundrede nanometer lang og snesevis af nanometer i diameter - eller omkring 5, 000 gange tyndere end et menneskehår. Hver er lukket med en metallisk bismuth -nanokrystal.

Forskerne brugte derefter den lysbaserede "traktorstråle" til at få fat i en af ​​germanium-nanoroderne. Energi fra strålen overopheder også nanoroden, smelter vismuthætten. De leder derefter en anden nanorod ind i "traktorbjælken" og lod-takket være den smeltede vismuthætte i enden-ende-til-ende. Forskerne kunne derefter gentage processen, indtil de havde samlet en mønstret nanotråd heterostruktur med gentagne halvleder-metal-kryds, der var fem-til-ti gange længere end de enkelte byggesten.

"Vi har valgt at kalde denne optisk orienterede samleproces 'fotonisk nanosoldering' - hovedsageligt lodning af to komponenter sammen på nanoskalaen ved hjælp af lys, sagde Holmberg.

Nanotråde, der indeholder kryds mellem materialer-såsom germanium-bismuth-kryds, der er syntetiseret af UW-teamet-kan i sidste ende være en vej til at skabe topologiske qubits til applikationer i kvanteberegning.

Traktorstrålen er faktisk en meget fokuseret laser, der skaber en type optisk fælde, en nobelprisvindende metode, som blev udviklet af Arthur Ashkin i 1970'erne. Til dato, optiske fælder er blevet brugt udelukkende i vand- eller vakuumbaserede miljøer. Pauzauskies og Holmbergs teams tilpassede optisk fangst til at arbejde i de mere flygtige omgivelser af organiske opløsningsmidler.

"At generere en stabil optisk fælde i enhver form for miljø er en sart balancegang af kræfter, og vi var heldige at have to meget talentfulde kandidatstuderende, der arbejdede sammen om dette projekt, sagde Holmberg.

Fotoner, der udgør laserstrålen, genererer en kraft på genstande i umiddelbar nærhed af den optiske fælde. Forskerne kan justere laserens egenskaber, så den genererede kraft enten kan fange eller frigive et objekt, det være sig en enkelt germanium nanorod eller en længere nanotråd.

"Det er den slags præcision, der er nødvendig for pålidelig, reproducerbare nanofabrikationsmetoder, uden kaotiske interaktioner med andre overflader eller materialer, der kan indføre defekter eller belastning af nanomaterialer, "sagde Pauzauskie.

Forskerne mener, at deres nanosolderende tilgang kunne muliggøre additiv fremstilling af nanoskala strukturer med forskellige sæt materialer til andre applikationer.

"Vi håber, at denne demonstration resulterer i, at forskere bruger optisk fældning til manipulation og samling af et bredere sæt nanoskala materialer, uanset om disse materialer tilfældigvis er forenelige med vand, sagde Holmberg.