Теперь представьте себе строительство в меньшем масштабе – менее 1/100 толщины листа бумаги. Это наномасштаб. Это масштаб, в котором ученые работают над разработкой потенциально революционных технологий в таких областях, как квантовые вычисления.
Это также масштаб, в котором традиционные методы изготовления просто не работают. Наши стандартные инструменты, даже миниатюрные, слишком громоздки и вызывают коррозию, чтобы воспроизводимо производить компоненты в наномасштабе.
Исследователи из Вашингтонского университета разработали метод, который сделает возможным воспроизводимое производство в наномасштабе. Команда адаптировала световую технологию, широко используемую в биологии, известную как оптические ловушки или оптические пинцеты, для работы в безводной жидкой среде богатых углеродом органических растворителей, тем самым открыв новые потенциальные области применения.
Как сообщает команда в статье, опубликованной в октябре. 30 в журнале Nature Communications, оптический пинцет действует как световой «притягивающий луч», который может собирать наноразмерные полупроводниковые материалы точно в более крупные структуры. В отличие от притягивающих лучей научной фантастики, которые захватывают космические корабли, команда использует оптический пинцет для улавливания материалов, которые почти в миллиард раз короче метра.
«Это новый подход к наноразмерному производству», – сказал соавтор исследования Питер Паузауски, доцент кафедры материаловедения и инженерии Университета штата Вашингтон, член факультета Института молекулярной инженерии и наук и Института нано-инженерных систем, а также старший научный сотрудник. ученый Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. «В производственном процессе не используются поверхности камеры, что сводит к минимуму образование деформации или других дефектов. Все компоненты подвешены в растворе, и мы можем контролировать размер и форму наноструктуры, когда она собирается по частям."
«Использование этого метода в органическом растворителе позволяет нам работать с компонентами, которые в противном случае разлагались бы или разъедали бы при контакте с водой или воздухом», – сказал соавтор исследования Винсент Холмберг, доцент кафедры химической инженерии и преподаватель кафедры «Чистая энергия». Институт и Институт молекулярной инженерии и наук. «Органические растворители также помогают нам перегревать материал, с которым мы работаем, позволяя нам контролировать превращения материалов и управлять химией."
Чтобы продемонстрировать потенциал этого подхода, исследователи использовали оптический пинцет для создания новой гетероструктуры на основе нанопроволоки, которая представляет собой нанопроволоку, состоящую из отдельных участков, состоящих из разных материалов. Исходными материалами для гетероструктуры нанопроволоки были более короткие «наностержни» кристаллического германия, каждая длиной всего несколько сотен нанометров и десятки нанометров в диаметре, что примерно в 5000 раз тоньше человеческого волоса. Каждый покрыт металлическим нанокристаллом висмута.
Затем исследователи использовали «притягивающий луч» на основе света, чтобы захватить один из наностержней германия. Энергия луча также перегревает наностержень, расплавляя крышку висмута. Затем они направляют второй наностержень в «притягивающий луч» и – благодаря расплавленному висмутовому колпачку на конце – припаивают их встык.
Затем исследователи могли повторять процесс до тех пор, пока не собрали узорчатую гетероструктуру на основе нанопроволоки с повторяющимися переходами полупроводник-металл, которая была в пять-десять раз длиннее, чем отдельные строительные блоки.
«Мы стали называть этот оптически ориентированный процесс сборки« фотонной нанопайкой »- по сути, спаяем два компонента вместе в наномасштабе с использованием света», – сказал Холмберг.
Нанопроволоки, которые содержат соединения между материалами, такие как соединения германий-висмут, синтезированные командой UW, могут в конечном итоге стать путем к созданию топологических кубитов для приложений в квантовых вычислениях.
Притягивающий луч на самом деле представляет собой сильно сфокусированный лазер, который создает своего рода оптическую ловушку, метод, получивший Нобелевскую премию, впервые примененный Артуром Ашкиным в 1970-х годах.
На сегодняшний день оптические ловушки используются почти исключительно в водной или вакуумной среде. Команды Паузауски и Хольмберга адаптировали оптический захват для работы в более летучей среде органических растворителей.
«Создание стабильной оптической ловушки в любой среде – это тонкое уравновешивание сил, и нам посчастливилось иметь двух очень талантливых аспирантов, работающих вместе над этим проектом», – сказал Холмберг.
Фотоны, составляющие лазерный луч, создают силу на объектах в непосредственной близости от оптической ловушки. Исследователи могут настроить свойства лазера таким образом, чтобы создаваемая сила могла захватывать или высвобождать объект, будь то одиночный наностержень германия или более длинная нанопроволока.
«Это та точность, которая необходима для надежных, воспроизводимых методов нанопроизводства, без хаотических взаимодействий с другими поверхностями или материалами, которые могут вносить дефекты или деформации в наноматериалы», – сказал Паузауски.
Исследователи считают, что их подход к нанопайке может позволить аддитивное производство наноразмерных структур с различными наборами материалов для других приложений.
«Мы надеемся, что эта демонстрация приведет к тому, что исследователи будут использовать оптическое улавливание для манипулирования и сборки более широкого набора наноразмерных материалов, независимо от того, совместимы ли эти материалы с водой», – сказал Холмберг.
Соавторами статьи являются Елена Пандрес, аспирантка Университета Вашингтона в области химического машиностроения, и Мэтью Крейн, аспирант Университета Вашингтона и нынешний научный сотрудник химического факультета Университета штата Вашингтон. Соавтор Э. Джеймс Дэвис, почетный профессор химической инженерии.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Центром молекулярно-инженерных материалов UW, Институтом молекулярной инженерии и наук UW, Институтом нанотехнологических систем UW, Институтом чистой энергии UW, штат Вашингтон, Вашингтонским исследовательским фондом и Управление научных исследований ВВС.