Design og bygning af nanokomponenter til spec

Hybrid, multifunktionelle nanostrukturer med forskellige 3D-former og kompleks materialesammensætning kan nu fremstilles med en præcis og effektiv fremstillingsteknik.

Realiseringen af ​​nanomaskiner kommer stadig tættere på virkeligheden. Forskere ved Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart hjælper med at gøre en af ​​nanovidenskabens store udfordringer til virkelighed. De har udviklet en metode, der gør det muligt at fremstille et sortiment af usædvanligt formede og funktionaliserbare nanostrukturer. Det lader dem kombinere materialer med vidt forskellige kemiske og fysiske egenskaber i den mindste skala. Holdet af videnskabsmænd ledet af Peer Fischer har endda dyrket spiralformede lysantenner, der er mindre end 100 nm i længden fra materialer, som typisk ikke kan formes på nanoskala. Dette opnås ved at dampaflejre materialet på en superkølet roterende skive. Ikke alene giver processen mulighed for fremstilling af nanostrukturer mere præcist end tidligere metoder, adskillige milliarder af sådanne nanopartikler kan produceres parallelt på en hurtig måde.

Flere af de foreslåede ideer om, hvad nanoteknologi kan opnå, er ret vovede:Miniscule robotter kunne transportere medicin i den menneskelige krop til foci af sygdomme eller være små nok til at operere i en menneskelig celle. Det kunne være muligt for nanomotorer at fungere som lys- eller toksinsensorer i længdeskalaer 2.000 gange mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår. Information kunne pakkes ind i lagerenheder med tætheder mange gange højere end hvad der er muligt med nutidens teknologi. Forskning i at realisere nogle af disse mål er allerede tæt på. Nu, et hold ledet af Peer Fischer, Leder af en forskningsgruppe ved Max Planck Institute for Intelligente Systems, er kommet endnu tættere på. "Vi har udviklet en alsidig, præcis, og effektiv proces, hvormed tredimensionelle nanostrukturer kan specialfremstilles af forskellige materialer", siger Peer Fischer. "Indtil nu, strukturer mindre end 100 nanometer kunne kun skabes i meget symmetriske, primært sfæriske eller cylindriske former."

Med deres nye metode, forskerne er nu i stand til at producere hybride nanoskopiske kroge, skruer, og zigzag strukturer ved at behandle materialer med meget forskellige fysiske egenskaber - metaller, halvledere, magnetiske materialer, og isolatorer. Som et eksempel på de mulige anvendelser, forskerne producerede helixer af guld, der egner sig som nanoantenner til lys. Farven på lyset, som antennerne absorberer, kan styres af deres form og materialesammensætning. Med dem, cirkulært polariseret lys kan f.eks. filtreres, en proces, der bruges i projektorer til 3D-film. Også, oscillationsplanet for en elektromagnetisk bølge – hvilket er hvad polariseret lys er – roteres enten med uret eller mod uret afhængigt af rotationsfølelsen af ​​metalnanohelixen. Effekten er størrelsesordener større pr. helix end hvad der ses med naturligt forekommende materialer.

Nanostrukturer fra en strøm af damp til guld nanodot-øer

Præcis kontrol over formen og strukturen af ​​nanokomponenterne blev opnået af forskerne i Stuttgart ved hjælp af deres elegante metode, som kan producere flere hundrede milliarder kopier af en kompleks struktur på cirka en time. Ved hjælp af micellær nanolitografi, som har været tilgængelig i flere år, de placerer først milliarder af regelmæssigt arrangerede nanopartikler af guld på overfladen af ​​en silicium- eller glaswafer. De afsætter guldpartikler dækket af en polymerskal på substratet, som så arrangerer sig selv i en tæt pakket, almindeligt mønster. Efter at have fjernet polymerskallen med et plasma, guldprikkerne forbliver bagved bundet til underlaget. Forskerne placerer derefter den præ-mønstrede wafer i, hvad der i det væsentlige er en strøm af metallisk damp i en vinkel, der er skråt nok til, at de metalliske atomer kun kan se de små guldøer og kun aflejre sig på disse punkter. Dermed, de vokser hurtigt til nanostrukturer, som kan have funktionsstørrelser så små som 20 nm.

Hvis forskerne langsomt roterer substratet under dampaflejringen, stængerne snor sig til en helix. Hvis de roterer substratet brat, dannes en zigzag-form. Hvis materialet, der fordampes i kammeret under processen, ændres, et kompositmateriale, såsom en metallegering, er dannet. Og selvfølgelig, alle disse smarte tricks kan kombineres. For eksempel, de fastgjorde kobberkroge til aluminiumoxidstænger ved hjælp af et tyndt lag titanium til at klæbe de to materialer sammen.

Den afgørende idé:flydende nitrogenkøling

"Større strukturer er blevet produceret i et stykke tid allerede på lignende måde", forklarer Andrew G. Mark, en Max Planck-forsker, der spillede en vigtig rolle i udviklingen af ​​metoden. "Indtil nu, denne metode kunne ikke overføres til nanostrukturer, dog." Dette er fordi den varme, mobile atomer aflejret fra dampen arrangerer sig hurtigt på overfladen til en kugle på grund af energihensyn. "Vi kom derfor på ideen om at køle substratet ved hjælp af flydende nitrogen ved omkring minus 200 grader Celsius, som strømmer gennem substratholderen, så et atom hurtigt fryses og fikseres på plads, så snart det lander på toppen af ​​den voksende nanobody", siger John G. Gibbs, som ligeledes bidrog væsentligt til arbejdet på Max Planck Institute for Intelligent Systems.

På trods af metodens alsidighed, ikke alle former kan skabes med det. "Fordi strukturen altid vokser væk fra waferen, ingen ringe, lukkede trekanter eller firkanter kan dannes", siger Fischer. "Vi er ikke i stand til at bygge et Eifeltårn i nanoskala." Alligevel, vidtrækkende muligheder er åbne for ham og hans team. "Vores langsigtede mål er at konstruere nanomaskineri", siger Peer Fischer. "Naturen bygger motorer i skalaen omkring 20 nanometer. Vi vil gerne koble vores komponenter til disse motorer." Så kan det være muligt for mange af nanorseachernes drømme at blive til virkelighed.