Indviklet, buede 3-D nanostrukturer skabt ved hjælp af kapillære virkningskræfter

ANN ARBOR, Mich. --- Snoende spir, koncentriske ringe, og yndefuldt bøjede kronblade er et par af de nye tredimensionelle former, som ingeniører fra University of Michigan kan lave af kulstofnanorør ved hjælp af en ny fremstillingsproces.

Processen kaldes "kapillærdannelse, "og det udnytter kapillærvirkningen, fænomenet på arbejde, når væsker synes at trodse tyngdekraften og rejser op ad et sugerør af egen drift.

De nye miniatureformer, som er svære hvis ikke umulige at bygge med noget materiale, har potentialet til at udnytte det exceptionelle mekaniske, termisk, elektriske, og kemiske egenskaber af kulstofnanorør på en skalerbar måde, sagde A. John Hart, en adjunkt på Institut for Maskinteknik og på Skolen for Kunst &Design.

De kan føre til prober, der kan interagere med individuelle celler og væv, nye mikrofluidiske enheder, og nye materialer med et tilpasset patchwork af overfladeteksturer og egenskaber.

En artikel om forskningen er offentliggjort i oktober-udgaven af Avancerede materialer , og ses på omslaget.

"Det er nemt at lave kulstof nanorør lige og lodrette som bygninger, " sagde Hart. "Det har ikke været muligt at lave dem til mere komplekse former. At samle nanostrukturer i tredimensionelle former er et af nanoteknologiens hovedmål. Metoden til kapillærdannelse kan anvendes på mange typer nanorør og nanotråde, og dens skalerbarhed er meget attraktiv for fremstilling."

Harts metode starter med at stemple mønstre på en siliciumwafer. Hans blæk i dette tilfælde er jernkatalysatoren, der letter den vertikale vækst af kulstofnanorørene i de mønstrede former. I stedet for at stemple en traditionel, ensartet gitter af cirkler, Hart stemplet hule cirkler, halvcirkler og cirkler med mindre udskåret fra deres centre. Formerne er arrangeret i forskellige orienteringer og grupperinger. En sådan gruppering er en femkant af halvcirkler med deres flade sider udad.

Han bruger den traditionelle "kemiske dampaflejring"-proces til at dyrke nanorørene i de foreskrevne mønstre. Så suspenderer han siliciumwaferen med dens nanorørskov over et bæger med kogende opløsningsmiddel, såsom acetone. Han lader acetonen kondensere på nanorørene, og lader derefter acetonen fordampe.

Når væsken kondenserer, kapillære virkningskræfter sætter ind og transformerer de lodrette nanorør til de indviklede tredimensionelle strukturer. For eksempel, høje halvcylindre af nanorør bøjer bagud for at danne en form, der ligner en tredimensionel blomst.

"Vi programmerer dannelsen af ​​3D-former med disse 2D-mønstre, " sagde Hart. "Vi har opdaget, at startformen påvirker, hvordan kapillærkræfterne ændrer strukturernes geometri. Nogle bøjer, andre drejer, og vi kan kombinere dem, som vi vil."

Kapillærdannelsesprocessen gør det muligt for forskerne at skabe store partier af 3D-mikrostrukturer --- alle meget mindre end en kubikmillimeter --- over i det væsentlige ubegrænsede områder, sagde Hart. Ud over, forskerne viser, at deres 3D-strukturer er op til 10 gange stivere end typiske polymerer, der bruges i mikrofremstilling. Dermed, de kan bruges som forme til fremstilling af de samme 3D-former i andre materialer.

"Vi vil gerne tro, at dette åbner ideen om at skabe brugerdefinerede nanostrukturerede overflader og materialer med lokalt varierende geometrier og egenskaber, " sagde Hart. "Nu, vi tænker på materialer som havende de samme egenskaber overalt, men med denne nye teknik kan vi drømme om at designe et materiales struktur og egenskaber sammen."