Forskere konstruerer nanoskala søjler til at fungere som memoryskum, baner vejen for nye nanoelektromekaniske enheder

Et team af forskere fra det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory og University of Connecticut har udviklet et tilpasseligt nanomateriale, der kombinerer metallisk styrke med en skumlignende evne til at komprimere og springe tilbage.

"Vi konstruerede materialer, der kan lagre og frigive en hidtil uset mængde mekanisk energi på nanoskala - for dens vægt, en af ​​de højeste nogensinde blandt kendte højstyrke ingeniørmaterialer, " sagde Brookhaven Labs videnskabsmand og hovedforsker Chang-Yong Nam. "Og vores teknik passer ind i eksisterende industrielle halvlederprocesser, hvilket betyder, at springet fra laboratoriet til praktiske anvendelser burde være ligetil."

Studiet, offentliggjort den 19. oktober i tidsskriftet Nano bogstaver , beskriver nanostrukturer, der spænder over blot et par milliardtedele af en meter i størrelse sammensat af organiske og uorganiske molekyler. Disse specialmønstrede strukturer - ligesom søjlerne, der er udforsket i denne undersøgelse - vil muliggøre mere avancerede nanoelektromekaniske systemer (NEMS), for eksempel i enheder, der kræver ultrasmå fjedre, håndtag, eller motorer. NEMS-teknologi, der potentielt kunne udnytte dette nye materiale, inkluderer ultrafølsomme accelerometre, multifunktionelle resonatorer, og biosyntetiske kunstige muskler.

"Gennembruddet var afhængig af, at vi udviklede syntesen, " tilføjede Nam. "Vi koblede ekspertise inden for atomlagsaflejring og elektronstrålelitografi med innovativ dampfase-materialeinfiltration for at bringe disse nye materialer til live."

Nanoskala elasticitet

Samarbejdet søgte at forbedre én specifik parameter:"modstandsdygtighedsmodulet, " eller målet for et materiales evne til at absorbere mekanisk energi og derefter frigive den uden at lide strukturel skade. Dette kræver både høj mekanisk styrke og lav stivhed - en sjælden kombination, da disse egenskaber normalt øges samtidigt.

"Vores organisk-uorganiske hybridmaterialer udviser metallignende høj styrke, men skumlignende lav stivhed, " sagde medforfatter Keith Dusoe fra University of Connecticut, som udførte den nanomekaniske test og teoretisk analyse. "Denne unikke kobling af mekaniske egenskaber står for vores materiales evne til at lagre og frigive en ekstraordinær stor mængde elastisk energi."

Den essentielle elasticitet - som flex og frigivelse af en muskel - er begrænset af både kemien og strukturen, så forskerne henvendte sig til et hybridmateriale, der inkluderer både organiske og uorganiske elementer.

Infiltrationssyntese

Processen begyndte med litografi, hvor en fokuseret stråle af elektroner huggede små søjler (300 nanometer brede og 1000 nanometer høje) ind i en polymer kaldet SU-8, et lysfølsomt materiale, der typisk anvendes til fremstilling af anordninger i mikrometerskala. Den præcise geometri af litografiprocessen lagde det strukturelle grundlag for den efterfølgende infiltration af uorganiske elementer - begge udført på Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Holdet placerede nanopillar-arrayet i et vakuumkammer og introducerede en aluminiumprecursordamp - en proces kaldet atomic layer deposition (ALD). Forstadiet trænger naturligt ind i porerne i polymersøjlerne, lidt som molekylær beton, der udglatter over revner og sprækker i et fortov. Efterfølgende eksponering for vand omdannede aluminiumprecursoren til et metaloxidmolekyle, som styrker polymermatrixen. Antallet og varigheden af ​​disse eksponeringer giver forskerne mulighed for at justere materialets ultimative mekaniske egenskaber.

"Denne infiltrationsproces skulle muliggøre den unikke kombination af mekanisk elastisk elasticitet med elektroniske og endda optiske egenskaber, givet de forskellige uorganiske materialesystemer, som vi kan infiltrere, " sagde Nam. "Sådanne hybridmaterialer ville være virkelig nye, med aldrig før sete kombinerede egenskaber. Og afgørende, vi kan udføre dette trin med kommercielt tilgængelige og skalerbare deponeringssystemer."

De testede den kemiske sammensætning og struktur med transmissionselektronmikroskopi på CFN, hvilket afslørede, at de sfæriske aluminiumoxidklynger forblev kemisk adskilte, men fuldt integrerede i nanopillar-matrixen.

"Denne grundige blanding, og især den sfæriske form af metaloxidklyngerne, bidrager til det bemærkelsesværdige elasticitetsmodul, " sagde Dusoe. "Uden det infiltrerede metaloxidfyldstof på nanoskala, polymersøjlerne ville blive knust under mekanisk belastning."

For at teste den modstandsdygtighed, forskere ved University of Connecticut kørte en nanomekanisk spids hen over prøven, som var i stand til forsigtigt at trykke ned på individuelle søjler - hver enkelt omkring 200 gange tyndere end et menneskehår. Holdet målte forholdet mellem den elastiske mekaniske energi, materialets evne til at opbevare og frigive det, og den strukturelle integritet.

"Det høje elasticitetsmodul og høj styrke er virkelig overraskende, " sagde Seok-Woo Lee, hovedefterforskeren for University of Connecticut-teamet. "Vores hybridmateriale kan yde stor beskyttelse mod mekanisk påvirkning, og den overlegne styrke på overfladelaget garanterer fremragende slidstyrke. Infiltrationsteknikken vil have stor indflydelse i nanofabrikationssamfund."

Samarbejdet vil fortsætte med at finjustere de strukturelle og kemiske egenskaber for yderligere at udnytte disse materialer og gøre dem klar til anvendelse.

"Infiltrationssyntese er stadig en relativt ny teknik, " sagde Nam. "Jeg er begejstret for dets fremtidige anvendelser til at generere nye funktionelle hybridmaterialer og uorganiske nanostrukturer til at forbedre ydeevnen af ​​forskellige sansninger, energi, og miljøteknologier."