La construcción moderna es un esfuerzo de precisión. Los constructores deben utilizar componentes fabricados para cumplir con estándares específicos, como vigas de la composición deseada o remaches de un tamaño específico. La industria de la construcción confía en los fabricantes para crear estos componentes de manera confiable y reproducible con el fin de construir puentes seguros y rascacielos sólidos.

Ahora imagine la construcción a una escala más pequeña, menos de 1/100 del grosor de una hoja de papel. Esta es la nanoescala. Es la escala a la que los científicos están trabajando para desarrollar tecnologías potencialmente innovadoras en campos como la computación cuántica. También es una escala en la que los métodos de fabricación tradicionales simplemente no funcionan. Nuestras herramientas estándar, incluso miniaturizado, son demasiado voluminosos y corrosivos para fabricar componentes de forma reproducible a nanoescala.

Investigadores de la Universidad de Washington han desarrollado un método que podría hacer posible la fabricación reproducible a nanoescala. El equipo adaptó una tecnología basada en la luz empleada ampliamente en biología, conocida como trampas ópticas o pinzas ópticas, para operar en un ambiente líquido libre de agua de solventes orgánicos ricos en carbono. permitiendo así nuevas aplicaciones potenciales.

Como informa el equipo en un artículo publicado el 30 de octubre en la revista Comunicaciones de la naturaleza , las pinzas ópticas actúan como un "rayo tractor" basado en la luz que puede ensamblar materiales semiconductores a nanoescala con precisión en estructuras más grandes. A diferencia de los rayos tractores de la ciencia ficción, que agarran naves espaciales, el equipo emplea pinzas ópticas para atrapar materiales que son casi mil millones de veces más cortos que un metro.

"Este es un nuevo enfoque para la fabricación a nanoescala, "dijo el coautor principal Peter Pauzauskie, un profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales de la UW, miembro de la facultad del Instituto de Ciencias e Ingeniería Molecular y del Instituto de Sistemas de Nanoingeniería, y científico principal del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. "No hay superficies de cámara involucradas en el proceso de fabricación, lo que minimiza la formación de deformaciones u otros defectos. Todos los componentes están suspendidos en solución, y podemos controlar el tamaño y la forma de la nanoestructura a medida que se ensambla pieza por pieza ".

"El uso de esta técnica en un solvente orgánico nos permite trabajar con componentes que de otro modo se degradarían o corroerían al entrar en contacto con el agua o el aire, "dijo el coautor principal Vincent Holmberg, profesor asistente de ingeniería química de la Universidad de Washington y miembro de la facultad del Instituto de Energía Limpia y del Instituto de Ingeniería y Ciencias Moleculares. "Los disolventes orgánicos también nos ayudan a sobrecalentar el material con el que estamos trabajando, permitiéndonos controlar las transformaciones de los materiales e impulsar la química ".

Para demostrar el potencial de este enfoque, los investigadores utilizaron las pinzas ópticas para construir una nueva heteroestructura de nanocables, que es un nanoalambre que consta de distintas secciones compuestas por diferentes materiales. Los materiales de partida para la heteroestructura de nanoalambres eran "nanobarras" más cortas de germanio cristalino, cada uno tiene unos pocos cientos de nanómetros de largo y decenas de nanómetros de diámetro, o alrededor de 5, 000 veces más delgado que un cabello humano. Cada uno está cubierto con un nanocristal de bismuto metálico.

Luego, los investigadores utilizaron el "rayo tractor" basado en la luz para agarrar una de las nanovarillas de germanio. La energía del rayo también sobrecalienta la nanovarilla, derritiendo la tapa de bismuto. Luego, guían una segunda nanovarilla hacia el "rayo tractor" y, gracias a la tapa de bismuto fundido en el extremo, los sueldan de un extremo a otro. Luego, los investigadores pudieron repetir el proceso hasta que hubieran ensamblado una heteroestructura de nanocables con patrón con uniones repetidas de semiconductor-metal que era de cinco a diez veces más larga que los bloques de construcción individuales.

"Hemos empezado a llamar a este proceso de ensamblaje orientado ópticamente 'nano soldadura fotónica', esencialmente soldando dos componentes juntos a nanoescala usando luz, "dijo Holmberg.

Los nanocables que contienen uniones entre materiales, como las uniones de germanio-bismuto sintetizadas por el equipo de UW, pueden eventualmente ser una ruta para crear qubits topológicos para aplicaciones en computación cuántica.

El rayo tractor es en realidad un láser altamente enfocado que crea un tipo de trampa óptica, un método ganador del Premio Nobel iniciado por Arthur Ashkin en la década de 1970. Hasta la fecha, Las trampas ópticas se han utilizado casi exclusivamente en entornos basados ​​en agua o vacío. Los equipos de Pauzauskie y Holmberg adaptaron la captura óptica para trabajar en el entorno más volátil de los disolventes orgánicos.

"Generar una trampa óptica estable en cualquier tipo de entorno es un delicado acto de equilibrio de fuerzas, y tuvimos la suerte de tener dos estudiantes graduados muy talentosos trabajando juntos en este proyecto, "dijo Holmberg.

Los fotones que forman el rayo láser generan una fuerza sobre los objetos en las inmediaciones de la trampa óptica. Los investigadores pueden ajustar las propiedades del láser para que la fuerza generada pueda atrapar o liberar un objeto. ya sea una sola nanovarilla de germanio o un nanoalambre más largo.

"Este es el tipo de precisión que se necesita para métodos de nanofabricación reproducibles, sin interacciones caóticas con otras superficies o materiales que puedan introducir defectos o deformaciones en los nanomateriales, "dijo Pauzauskie.

Los investigadores creen que su enfoque de nano-soldadura podría permitir la fabricación aditiva de estructuras a nanoescala con diferentes conjuntos de materiales para otras aplicaciones.

"Esperamos que esta demostración dé como resultado que los investigadores utilicen trampas ópticas para manipular y ensamblar un conjunto más amplio de materiales a nanoescala, independientemente de si esos materiales son compatibles con el agua o no, "dijo Holmberg.