Oprettelse og tilpasning af materiale i atomskala

Additive fremstillingsteknikker med atomær præcision kunne en dag skabe materialer med Legos fleksibilitet og Terminator-sejhed, ifølge forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.

I et review paper offentliggjort i ACS Nano , Olga Ovchinnikova og kolleger giver et overblik over eksisterende stier til 3D-materialer, men det ultimative mål er at skabe og tilpasse materiale på atomare skala. Materiale ville blive samlet atom for atom, ligesom børn kan bruge lego til at bygge en bil eller et slot klods for klods. Dette koncept, kendt som rettet stof, kunne føre til praktisk talt perfekte materialer og produkter, fordi mange begrænsninger ved konventionelle fremstillingsteknikker ville blive elimineret.

"At være i stand til at samle stof atom for atom i 3-D vil gøre os i stand til at designe materialer, der er stærkere og lettere, mere robust i ekstreme miljøer og giver økonomiske løsninger til energi, kemi og informatik, " sagde Ovchinnikova.

Grundlæggende rettet stof eliminerer behovet for at fjerne uønsket materiale ved litografi, ætsning eller andre traditionelle metoder. Disse processer har tjent samfundet godt, forskere bemærkede, men den næste generation af materialer og produkter kræver en ny tilgang.

"I langt størstedelen af ​​den registrerede historie, materialetransformation var begrænset til objekter, der var synlige for det blotte øje og mønstret ved hjælp af håndholdte værktøjer, " skrev forskerne. "Vi kan beundre dygtigheden af ​​riskornsskrivningen, eller fint gravering på et værdsat sværdblad, men kun to til tre størrelsesordener adskiller disse mesterværker fra stenalderteknologien."

Nu, med evnen til at dirigere stof med atompræcision, udbetalingen kunne være kvantecomputere, mobiltelefoner med mere datalagring og længere intervaller mellem opladning, højere effektivitet solceller, og stærkere og billigere letvægtsmaterialer.

"Det er faktisk svært at forudsige, hvor dette kan gå hen, og hvordan denne teknologi kan ændre vores liv, men vi agter at finde ud af, " sagde Ovchinnikova.

Ved at bruge beregning og modellering, forskere kan præcist forestille sig, forudsige, skabe og kontrollere elektriske og andre egenskaber ved et materiale i stedet for at skulle gå på kompromis. Hovedforfatter Stephen Jesse bemærkede, at tilgangen til rettet stof bygger på årtiers forskning og bruger instrumenter, der oprindeligt er designet til at undersøge materialer til at fremstille nye med en funktionsopløsning på under 10 nanometer (10 milliardtedele af en meter).

For eksempel, transmissionselektronmikroskopet, udviklet i 1930'erne, har tilladt enkelt-atom-billeddannelse, kemisk strain imaging og picometer-niveau strukturel kortlægning. Siden starten, imidlertid, strålematerialets interaktion skulle styres for at forhindre "stråleskade, "en hindring for grundlæggende studier, sagde forskerne.

"Imidlertid, denne interaktion, kombineret med billeddannelse af elektron - og nyligt ion - mikroskopi kan bruges som grundlag for en næste generation af nanofabrikationsværktøjer, " sagde Jesse.

Papiret giver resuméer af flere andre alternativer til atomisk præcis fremstilling af 3-D materialer baseret på elektron- og ionstråler, herunder fokuseret elektronstråle-induceret behandling fra gasprecursorer og flydende precursorer.