Replikerende overflader, helt ned til en brøkdel af et atom

Evnen til at replikere materialer på atomniveau har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed fra materialeforskere. Imidlertid, den nuværende teknologi er begrænset af en række faktorer. Udo Schwarz, professor i maskinteknik og materialevidenskab og afdelingsformand, har for nylig udgivet to artikler om forskning, der markant kan åbne op for, hvad der er muligt inden for dette spirende felt. Hans metoder inkluderer en proces, der kan kopiere en overflades træk til detaljer på mindre end en 10 milliardtedel af en meter, eller mindre 1/20 af diameteren af ​​et atom.

Nanostrukturerede og nanomønstrede overflader er en integreret komponent i mange nanoteknologiske applikationer. Nem at bruge og økonomisk, metoden til nanoimprinting har et stort potentiale for applikationer som datalagring med høj tæthed, fotoniske enheder, hologrammer, bio-nanofluidiske chips, vandfiltrering, og elektroder i brændselsceller. Imidlertid, præcisionen af ​​replikation er begrænset i de fleste materialer på grund af disse materialers atomare strukturer.

I APL-materialer, Schwarz viser, at når man arbejder med metalliske briller, der er praktisk talt ingen grænser for den nøjagtighed, du kan have, når du kopierer overfladefunktioner. Faktisk, præcisionsniveauet når ned til det subatomare niveau. Nøglen er materialernes atomare struktur. I modsætning til krystallinske materialer, som har atomer, der er specifikt arrangeret, atomer i glas er arrangeret uden restriktive periodiske ordensprincipper.

"Krystaller ønsker altid at placere atomer på bestemte steder, og hvis din skimmelsvamp ikke passer til det, du er ude af held, " sagde Schwarz.

Men metalliske glas har ikke så stift arrangerede atomer, giver dem mulighed for at tilpasse sig, hvor der er brug for dem. Ved at opvarme glasset, forskerne var i stand til at svække materialets indre kohæsion lige nok til at tillade atomerne at bevæge sig, hvor det var nødvendigt, med næsten perfekt nøjagtighed.

"For første gang, vi demonstrerede, at enhver struktur du har, du kan kopiere det - det metalliske glas vil tilpasse sig det korrekt, " sagde han. "Det kan du gøre med praktisk talt ingen grænser for nøjagtigheden."

Det betyder, at de kan give en ideel platform til at fremme forskning i den grundlæggende undersøgelse af struktur, deformation, og faseovergange af briller samt muliggør nye anvendelser inden for områder, der gør brug af overfladefunktionalisering gennem topografi.

Medforfattere til APL materialer papir, som tidsskriftet promoverer som en "Udvalgt artikel, "er Chao Zhou, Amit Datye, Zheng Chen, Georg H. Simon, Xinzhe Wang, og Jan Schroers.

I et andet papir, i ACS Applied Materials and Interfaces, Schwarz ser også på nanofremstilling af bulk metalliske glas, men med en anden tilgang.

Til det studie, som modtog en "Editor's Choice"-betegnelse af tidsskriftet, Schwarz udviklede en metode baseret på magnetronforstøvning. Ved magnetonsputtering, gas ioner, typisk argon, rammer et "mål" og skubber målatomer ud i processen. De udstødte atomer rejser derefter gennem vakuum for til sidst at nå et substrat, hvorpå de danner en film. På grund af det brede udvalg af legeringer, der kan bruges som mål og de store substratområder, der kan dækkes, Metoden giver forskerne en stor værktøjskasse til at vælge en ønsket overfladekemi, samtidig med at den er ekstremt alsidig med hensyn til størrelse, form, og arten af ​​overflademønsteret og af de forme, der kan bruges. Schwarz sagde, at det effektivt kunne hæve replikation i atomskala fra en "videnskabelig nysgerrighed" til et meget brugt nanofabrikationsværktøj.

Under replikeringsprocessen, den høje grad af nøjagtighed er delvist baseret på sputterteknikken, men også afgørende for, at de mållegeringer, der bruges til at sputtere filmene, ikke krystalliserer. På grund af dette, der er ingen dimensionelle begrænsninger fra film, der forsøger at etablere krystallinsk orden.

"Det viser, at vi kan replikere overfladestrukturer ned til sub-angstrøm [mindre end en 10 milliardtedel af en meter] i stor skala, og at dette kan åbne vejen for at bruge disse materialer i stor skala til fremstilling af egentlige emner og til overkommelige priser, " han sagde.

Da der kun er brug for sparsomme mængder af materiale, den nye tilgang er økonomisk. Det er også anvendeligt til en bred vifte af legeringer, fleksibel i den type forme, den kan kopiere, og kan nemt skaleres op. Potentielle anvendelser af denne nye tilgang omfatter udviklingen af ​​nanotråde og nanorør til nanoelektroniske applikationer.