Stempling af billige nanoenheder

(PhysOrg.com) -- En simpel teknik til at stemple mønstre, der er usynlige for det menneskelige øje på en særlig klasse af nanomaterialer, giver en ny, omkostningseffektiv måde at producere nye enheder på i områder lige fra lægemiddellevering til solceller.

Teknikken blev udviklet af Vanderbilt University ingeniører og beskrevet i forsideartiklen til maj-udgaven af ​​tidsskriftet Nano bogstaver .

Den nye metode arbejder med materialer, der er fyldt med små hulrum, der giver dem unikke optiske, elektriske, kemiske og mekaniske egenskaber. Forestil dig en stiv, svampelignende materiale fyldt med huller, der er for små til at se uden et specielt mikroskop.

I en årrække, forskere har undersøgt brugen af ​​disse materialer - kaldet porøse nanomaterialer - til en bred vifte af anvendelser, herunder lægemiddellevering, kemiske og biologiske sensorer, solceller og batterielektroder. Der er nanoporøse former for guld, silicium, aluminiumoxid, og titaniumoxid, blandt andre.

Enkel stempling

En stor hindring for at bruge materialerne har været kompleksiteten og omkostningerne ved den forarbejdning, der kræves for at gøre dem til enheder.

Nu, Lektor i elektroteknik Sharon M. Weiss og hendes kolleger har udviklet en hurtig, lavpris prægningsproces, der kan udrydde en række forskellige nanoenheder fra disse spændende materialer.

"Det er utroligt, hvor nemt det er. Vi lavede vores første aftryk med en almindelig bordplade skruestik, " sagde Weiss. "Og opløsningen er overraskende god."

De traditionelle strategier, der bruges til at fremstille enheder af nanoporøse materialer, er baseret på den proces, der bruges til at fremstille computerchips. Dette skal gøres i et særligt rent rum og involverer maling af overfladen med et specielt materiale kaldet en resist, at udsætte den for ultraviolet lys eller scanne overfladen med en elektronstråle for at skabe det ønskede mønster og derefter anvende en række kemiske behandlinger for enten at gravere overfladen eller lægge nyt materiale ned. Jo mere kompliceret mønsteret er, jo længere tid tager det at lave.

For omkring to år siden, Weiss fik ideen om at skabe præmastrede frimærker ved hjælp af den komplekse proces og derefter bruge stemplerne til at skabe enhederne. Weiss kalder den nye tilgang for direkte prægning af porøse substrater (DIPS). DIPS kan oprette en enhed på mindre end et minut, uanset dens kompleksitet. Indtil nu, hendes gruppe rapporterer, at den har brugt masterstempler mere end 20 gange uden tegn på forringelse.

Processen kan producere mønstre i nanoskala

Det mindste mønster, som Weiss og hendes kolleger har lavet til dato, har træk på kun et par tiere af nanometer, som er omtrent på størrelse med et enkelt fedtsyremolekyle. Det er også lykkedes dem at præge det mindste mønster, der endnu er rapporteret i nanoporøst guld, en med 70 nanometer funktioner.

Den første enhed, gruppen lavede, er en "diffraktionsbaseret" biosensor, der kan konfigureres til at identificere en række forskellige organiske molekyler, herunder DNA, proteiner og vira. Enheden består af et gitter lavet af porøst silicium behandlet, så et målmolekyle vil klæbe til det. Sensoren udsættes for en væske, der kan indeholde målmolekylet, og skylles derefter af. Hvis målet var til stede, så sætter nogle af molekylerne sig fast i gitteret og ændrer mønsteret af reflekteret lys, der produceres, når gitteret belyses med en laser.

Ifølge forskernes analyse, når en sådan biosensor er lavet af nanoporøst silicium er den mere følsom end dem der er lavet af almindeligt silicium.

Weiss-gruppen samarbejdede med kolleger i Chemical and Biomolecular Engineering for at bruge den nye teknik til at lave nanomønstrede kemiske sensorer, der er ti gange mere følsomme end en anden type kommerciel kemisk sensor kaldet Klarite, der er grundlaget for et multimillion-dollar marked.

Forskerne har også demonstreret, at de kan bruge stemplerne til at lave præcist formede mikropartikler ved en proces kaldet "over-stempling", der i det væsentlige skærer gennem det nanoporøse lag for at befri partiklerne fra substratet. En mulig anvendelse for mikropartikler fremstillet på denne måde af nanoporøst silicium er som anoder i lithium-ion-batterier, hvilket kunne øge deres kapacitet markant uden at tilføje en masse vægt.

Vanderbilt University har ansøgt om patent på DIPS-metoden.