Kvantelevitation kan forhindre nanosystemer i at gå ned sammen

(Phys.org)-Siden den første demonstration af mikroelektromekaniske systemer (MEMS) i midten af ​​80’erne, teknologien har ikke vist sig så nyttig som oprindeligt forventet. Et af problemerne er, at de bittesmå komponenter har en tendens til at hænge sammen på grund af stærke overfladeadhæsionskræfter på nanoskalaen, en effekt, som ingeniører kalder "stiction." Nu i en ny undersøgelse, forskere foreslår, at dette problem kan løses ved at fremkalde kvantelevitation mellem komponenter, som de demonstrerer ved blot at tilføje en tynd metallisk belægning til en af ​​de interagerende overflader.

Forskerteamet, fra institutioner i Norge, Australien, og Sverige, har offentliggjort undersøgelsen om kvantelevitation mellem nanosurfaces i et nyligt nummer af Anvendt fysik bogstaver .

Det underlige ved denne levitation er, at den stammer fra Casimir-Lifshitz-styrken, som har den usædvanlige egenskab at være enten attraktiv eller frastødende. Som en type van der Waals -styrke, det opstår mellem nærliggende partikler på grund af deres iboende elektriske egenskaber.

I dette studie, forskerne kiggede på Casimir-Lifshitz-kraften, der opstår mellem to silicaoverflader i en væske (enten brombenzen eller toluen). Normalt, denne kraft er attraktiv, men den svækkes, efterhånden som silica -partiklerne bevæger sig længere fra hinanden. Denne svækkelse kaldes retardation, og forskerne fandt ud af, at de kunne reducere den afstand, hvormed forsinkelse forekommer ved at belægge et ultratyndt lag guld på en af ​​silicaoverfladerne.

Denne lille ændring flytter retardationsregimet fra en adskillelsesafstand på flere nanometer ned til et par nanometer ved at ændre de dielektriske egenskaber af den overtrukne silicaoverflade. Faktisk, forsinkelse svækker tiltrækningen så meget, at kraften bliver frastødende, når overfladerne adskilles med et par nanometer eller mere, på en kritisk afstand kaldet levitationsafstanden. Under levitationsafstanden, kraften bliver igen attraktiv, mens den over denne afstand bliver mere og mere frastødende op til et maksimumspunkt. På stadig større afstande, frastødningen stabiliserer sig under maksimumværdien.

Evnen til at kontrollere Casimir-Lifshitz-styrken er ikke helt ny. Forskere har teoretisk kendt om disse effekter siden 1970'erne, men kun de seneste fremskridt inden for nanoteknologi har givet mulighed for eksperimentelle undersøgelser.

”Samspillet mellem to silica -objekter i toluen er attraktivt, ”Fortalte medforfatter Bo Sernelius fra Linköpings universitet i Sverige Phys.org . ”Tidligere undersøgelser har vist, at hvis et af objekterne erstattes af et massivt guldobjekt, interaktionen bliver frastødende for afstande ud over levitationsafstanden. Således er der en potentiel barriere, der reducerer chancen for, at objekterne kommer tæt på og klæber til hinanden. Vi fandt, og det er nyt, at hvis vi i stedet for at have et solidt guldobjekt havde en silicaobjekt med en tynd guldbelægning, levitation afstanden krympet og barrieren blev højere. Chancen for at forhindre stiction steg betydeligt. ”

Ved at forhindre stiction, kvantelevitation kan tilbyde en måde at forhindre overflader, der bruges i MEMS og nanoelektromekaniske systemer (NEMS) i at styrte sammen på grund af andre attraktive van der Waals -kræfter, der eksisterer mellem dem. Da tykkelsen af ​​nanocoating ændrer de dielektriske egenskaber af de interagerende overflader, forskere skulle præcist bestemme den korrekte tykkelse for en ønsket levitationsafstand. Hvis teknikken virker, det kan give en tiltrængt revitalisering af områderne MEMS og NEMS.

I fremtiden, forskerne planlægger at udvide deres undersøgelser til andre materialer, såsom zinkoxid og hafnia, som er meget udbredt i mikroelektriske og mikrooptiske enheder. De har også et kommende papir (arxiv.org/abs/1206.4852v1), hvor de undersøger de frastødende og attraktive kræfter mellem ophidsede cæsiumatomer, der er begrænset i en nanokanal, som er meget forskellige fra dem i det frie rum.

"To cæsiumatomer, der er tæt på hinanden og i en ophidset tilstand, kan danne usædvanligt store molekyler, når de er mellem to guldoverflader, ”Forklarede medforfatter Mathias Bostrom fra det norske universitet for videnskab og teknologi i Trondheim, Norge, og Australian National University i Canberra, Australien. ”Virkningerne af forsinkelse for disse ophidsede tilstandsinteraktioner mellem atomer ligner meget, hvad vi fandt for Casimir-Lifshitz-kraften mellem en guldovertrukket silicaoverflade og en silicaoverflade i toluen. Derfor fandt vi langdistanceattraktion, der bringer atomerne sammen og afstødning af kort rækkevidde, der muliggør bundne tilstande (forhindrer atomer i at styrte sammen, dvs. danner super store molekyler). ”

Endelig, forskerne planlægger at undersøge yderligere, hvordan kvantelevitation kan bruges til NEMS -systemer ved at se på anisotropiske effekter, som er de forskellige egenskaber, der opstår, når de er parallelle eller vinkelrette på materialegrænsefladen.

”Vores kolleger i Oslo (professor Clas Persson fra Universitetet i Oslo og hans team) har beregnet materialernes faktiske optiske egenskaber (den dielektriske funktion) til tynde guldplader, der vil blive brugt til at undersøge, hvordan anisotrope effekter kan påvirke NEMS -systemer med guld nanocoatings. Det er sandsynligt, at rækkevidden med frastødende kræfter (forhindrer systemet i at styrte sammen) kan blive påvirket i sådanne forbedrede beregninger. Vores mål er at foretage sådanne beregninger i efteråret. ”

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.