Eksperimenter afgør en langvarig debat om mystiske array-formationer i nanofilm

(PhysOrg.com) -- Forskere ved California Institute of Technology har udført eksperimenter, der bekræfter, hvilken af ​​tre mulige mekanismer, der er ansvarlig for den spontane dannelse af tredimensionelle (3-D) søjlearrays i nanofilm (polymerfilm, der er milliardtedele af en meter tyk). Disse fremspring dukker pludselig op, når overfladen af ​​en smeltet nanofilm udsættes for en ekstrem temperaturgradient og organiserer sig selv til sekskantede, lamellær, firkant, eller spiralmønstre.

Denne utraditionelle måde at mønstre film på er udviklet af Sandra Troian, professor i anvendt fysik, luftfart, og maskinteknik hos Caltech, der bruger modulering af overfladekræfter til at forme og støbe flydende nanofilm til 3D-former. "Mit ultimative mål er at udvikle en suite af 3-D litografiske teknikker baseret på fjernbetjening, digital modulering af termisk, elektriske, og magnetiske overfladekræfter, " siger Troian. Bekræftelse af den korrekte mekanisme har gjort det muligt for hende at udlede den maksimale opløsning eller mindste funktionsstørrelse, der i sidste ende er mulig med disse mønsterteknikker.

I Troians metode, vilkårlige former skulptureres først af en smeltet film af overfladekræfter og størkner derefter øjeblikkeligt in situ ved afkøling af prøven. "Disse teknikker er velegnede til fremstilling af optiske eller fotoniske komponenter, der udviser ultraglatte grænseflader, " forklarer hun. Processen introducerer også noget interessant ny fysik, som kun bliver tydeligt på nanoskala. "Selv i Lilliputians land, disse kræfter er i bedste fald ringe - men på nanoskalaen eller stadig mindre, de styrer verden, " hun siger.

Eksperimenterne, der førte til denne opdagelse, blev fremhævet på forsiden af ​​tidsskriftets 29. april-udgave Fysiske anmeldelsesbreve .

Eksperimenterne, designet til at isolere fysikken bag processen, er i bedste fald udfordrende. Opsætningen kræver to glatte, flade underlag, som kun er adskilt af nogle få hundrede nanometer, at forblive perfekt parallel over afstande på en centimeter eller mere.

En sådan eksperimentel opsætning byder på flere vanskeligheder, herunder at "intet underlag i denne størrelse er virkelig fladt, Troian siger, "og selv verdens mindste termoelement er for stort til at passe ind i hullet." Ud over, hun siger, "den termiske gradient i mellemrummet kan overstige værdier på en million grader pr. centimeter, så opsætningen gennemgår betydelig udvidelse, forvrængning, og sammentrækning under en typisk løbetur."

Faktisk, alle tidligere undersøgelser stod over for lignende udfordringer - hvilket førte til unøjagtige estimater af den termiske gradient og manglende evne til at se dannelsen og væksten af ​​strukturerne, blandt andre problemer. "For at komplicere sagerne, Troian siger, "alle tidligere data i litteraturen blev opnået på meget sene vækststadier, langt ud over gyldighedsregimet for de teoretiske modeller, " siger Troian.

Caltech-eksperimenterne løste disse udfordringer ved at vende tilbage til in situ-målinger. Forskerne erstattede det øverste kolde substrat med et gennemsigtigt vindue lavet af en enkelt krystal safir, hvilket gav dem mulighed for direkte at se de udviklende formationer. De brugte også interferometri med hvidt lys til at hjælpe med at opretholde parallelitet under hvert løb og til at registrere den nye form og væksthastigheden af ​​nye strukturer. Finite element-simuleringer blev også brugt til at opnå meget mere nøjagtige estimater af den termiske gradient i det lille hul.

"Når alt er sagt og gjort, vores resultater indikerer, at denne dannelsesproces ikke er drevet af elektrostatisk tiltrækning mellem filmoverfladen og det nærliggende substrat - svarende til hvad der sker, når du kører en kam gennem dit hår - eller tryksvingninger inde i filmen fra refleksioner af akustiske fononer - de kollektive excitationer af molekyler - som engang troede, Troian forklarer. "Dataene passer simpelthen ikke til disse modeller, uanset hvor meget du prøver, " siger hun. Dataene syntes heller ikke at passe til en tredje model baseret på filmstrukturering ved termokapillær strømning - strømmen fra varmere til køligere områder, der ledsager overfladetemperaturvariationer.

Troian foreslog den termokapillære model for flere år siden. Beregninger for denne "koldsøgende ustabilitet" tyder på, at nanofilm altid er ustabile som reaktion på dannelsen af ​​3-D søjle-arrays, uanset størrelsen af ​​den termiske gradient. Små fremspring i filmen oplever en lidt køligere temperatur end den omgivende væske på grund af deres nærhed til et koldt mål. Overfladespændingen af ​​disse spidser er større end den omgivende film. Denne ubalance genererer en meget stærk overfladekraft, der "trækker" væske op og "ind i den tredje dimension, " siger hun. Denne proces giver let anledning til store områder af fordybninger, kamme, søjler, og andre former. En ikke-lineær version af modellen foreslår, hvordan kolde stifter også kan bruges til at danne mere regelmæssige arrays.

Troian var i starten skuffet over, at målingerne ikke stemte overens med de teoretiske forudsigelser. For eksempel, forudsigelsen for afstanden mellem fremspringene var ude af en faktor to eller mere. "Det gik op for mig, at visse egenskaber ved nanofilmen, der skal indsættes i modellen, kan være helt anderledes end de litteraturværdier, der er opnået fra makroskopiske prøver, " konstaterer hun.

Hun fik råd fra mekanisk ingeniør Ken Goodson hos Stanford, en ekspert i termisk transport i nanofilm, som bekræftede, at han også havde bemærket en betydelig forbedring i varmeoverførselsevnen for visse nanofilm. Yderligere undersøgelser afslørede, at andre grupper rundt om i verden er begyndt at rapportere lignende forbedringer i optiske og andre egenskaber ved nanofilm. "Og voila! … ved at justere en nøgleparameter, Troian siger, "vi opnåede perfekt overensstemmelse mellem eksperiment og teori. Hvor er det fedt!"

Ikke tilfreds med disse resultater, Troian ønsker at lancere en separat undersøgelse for at finde kilden til disse forbedrede egenskaber i nanofilm. "Nu hvor vores horisont er klar, Jeg garanterer, at vi ikke sidder stille, før vi kan fremstille nogle usædvanlige komponenter, hvis form og optiske respons kun kan dannes ved en sådan proces."