Los científicos del Instituto de Tecnología de California han descubierto el mecanismo físico mediante el cual se pueden cultivar matrices de pilares a nanoescala en películas de polímero con una precisión muy alta. en patrones potencialmente ilimitados.

Este proceso nanofluídico, desarrollado por Sandra Troian, profesor de física aplicada, aeronáutica, e ingeniería mecánica en Caltech, y descrito en un artículo reciente en la revista Cartas de revisión física - algún día podría reemplazar las técnicas convencionales de modelado litográfico que ahora se utilizan para construir estructuras tridimensionales a nanoescala y microescala para su uso en óptica, fotónico y dispositivos biofluídicos.

La fabricación de alta resolución, Los nanoarrays de gran superficie se basan en gran medida en las técnicas convencionales de creación de patrones fotolitográficos, que involucran tratamientos que usan luz ultravioleta y químicos agresivos que alternativamente disuelven y graban obleas de silicio y otros materiales. La fotolitografía se utiliza para fabricar circuitos integrados y dispositivos microelectromecánicos, por ejemplo.

Sin embargo, los ciclos repetidos de disolución y grabado provocan una cantidad significativa de rugosidad superficial en las nanoestructuras, en última instancia, limitando su desempeño.

"Este proceso también es intrínsecamente bidimensional, y, por lo tanto, las estructuras tridimensionales deben estar modeladas capa por capa, "dice Troian.

En un esfuerzo por reducir costos, Tiempo de procesamiento, y aspereza, Los investigadores han estado explorando técnicas alternativas mediante las cuales las películas fundidas se pueden modelar y solidificar in situ. y en un solo paso.

Hace aproximadamente una década, grupos en Alemania, Porcelana, y los Estados Unidos se encontraron con un fenómeno extraño al utilizar técnicas que implican gradientes térmicos. Cuando se insertaron nanofilms de polímero fundido dentro de un espacio delgado que separaba dos obleas de silicio que se mantuvieron a diferentes temperaturas, matrices de pilares a nanoescala se desarrollaron espontáneamente.

Estas protuberancias crecieron hasta llegar a la oblea superior; los pilares resultantes tenían típicamente varios cientos de nanómetros de altura y estaban separados por varios micrones.

Estos pilares a veces se fusionaron, formando patrones que parecían cadenas de bicicletas cuando se veían desde arriba; en otras películas, los pilares crecieron espaciados uniformemente, matrices en forma de panal. Una vez que el sistema volvió a bajar a temperatura ambiente, las estructuras se solidificaron en su lugar para producir características autoorganizadas.

En 2002, Los investigadores en Alemania que habían observado este fenómeno plantearon la hipótesis de que los pilares surgen de fluctuaciones de presión infinitesimales, pero muy reales, a lo largo de la superficie de una película plana que de otro modo estaría inactiva. Propusieron que las diferencias en la presión de la superficie eran causadas por variaciones igualmente pequeñas en la forma en que los paquetes individuales (o cuantos) de energía vibratoria, conocidos como fonones, se reflejan en las interfaces de la película.

"En su modelo, Se cree que la diferencia de impedancia acústica entre el aire y el polímero genera un desequilibrio en el flujo de fonones que provoca una presión de radiación que desestabiliza la película. permitiendo la formación de pilares, "dice Troian." Su mecanismo es el análogo acústico de la fuerza de Casimir, que es bastante familiar para los físicos que trabajan a nanoescala ".

Pero Troian, que estaba familiarizado con los efectos térmicos a pequeña escala y sabía que la propagación de estos fonones es en realidad poco probable en polímeros amorfos fundidos, que carecen de estructura periódica interna — reconocieron inmediatamente que otro mecanismo podría estar al acecho en este sistema.

Para determinar la causa real de la formación de nanopilares, Ella y el becario postdoctoral de Caltech Mathias Dietzel desarrollaron un modelo fluido-dinámico del mismo tipo de nanofilm fundido en un gradiente térmico.

Su modelo, Troian dice:"exhibió una inestabilidad autoorganizada que fue capaz de reproducir las extrañas formaciones, "y demostró que los nanopilares De hecho, no se forman a través de fluctuaciones de presión, sino a través de un proceso físico simple conocido como flujo termocapilar.

En el flujo capilar, o acción capilar, la fuerza de atracción, o cohesión, entre moléculas del mismo líquido (digamos, agua) produce tensión superficial, la fuerza de compresión que es responsable de mantener unida una gota de agua. Dado que la tensión superficial tiende a minimizar el área superficial de un líquido, a menudo actúa como un mecanismo estabilizador contra la deformación causada por otras fuerzas. Diferencias de temperatura a lo largo de una interfaz líquida, sin embargo, generar diferencias en la tensión superficial. En la mayoría de los líquidos, las regiones más frías tendrán una tensión superficial más alta que las más cálidas, y este desequilibrio puede hacer que el líquido fluya de regiones de temperatura más cálida a más fría, un proceso conocido como flujo termocapilar.

Previamente, Troian ha utilizado tales fuerzas para aplicaciones de microfluidos, para mover gotas de un punto a otro.

"Puedes ver este efecto muy bien si mueves un cubo de hielo en forma de ocho debajo de una lámina de metal cubierta con un líquido como glicerol, "ella dice." El líquido brota por encima del cubo mientras traza la figura. Puedes dibujar tu nombre de esta manera, y, ¡presto! ¡Has conseguido una nueva forma de litografía termocapilar! "

En su Cartas de revisión física papel, Troian y Dietzel mostraron cómo este efecto puede dominar teóricamente todas las demás fuerzas en dimensiones a nanoescala, y también demostró que el fenómeno no es exclusivo de las películas de polímero.

En los experimentos de gradiente térmico, ellos dicen, las puntas de las pequeñas protuberancias en la película de polímero experimentan una temperatura ligeramente más fría que el líquido circundante, debido a su proximidad a la oblea más fría.

"La tensión superficial en una punta en evolución es un poco mayor, y esto establece una fuerza muy fuerte orientada paralela a la interfaz aire / polímero, que arranca el fluido hacia la oblea más fría. Cuanto más se acerca la punta a la oblea, cuanto más frío se vuelve, que conduce a una inestabilidad que se refuerza a sí misma, "Troian explica.

Por último, ella dice, "puede terminar con estructuras de columnas muy largas. El único límite para la altura de la columna, o nanopilar, es la distancia de separación de las obleas ".

En modelos de computadora, los investigadores pudieron utilizar variaciones específicas en la temperatura del sustrato más frío para controlar con precisión el patrón replicado en la nanofilm. En uno de esos modelos, crearon un "nanoreluvio" tridimensional del logotipo de Caltech.

Troian y sus colegas ahora están comenzando experimentos en el laboratorio en los que esperan fabricar una variedad diversa de elementos ópticos y fotónicos a nanoescala. "Buscamos nanoestructuras con superficies especularmente lisas, tan suaves como jamás podría haberlas hecho, y formas tridimensionales que no se pueden obtener fácilmente con la litografía convencional. "Dice Troian.

"Este es un ejemplo de cómo la comprensión básica de los principios de la física y la mecánica puede conducir a descubrimientos inesperados que pueden tener un gran alcance, Implicaciones prácticas, "dice Ares Rosakis, presidente de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (EAS) y profesor Theodore von Kármán de Aeronáutica e Ingeniería Mecánica en Caltech. "Ésta es la verdadera fortaleza de la división EAS".

Más información: Phys. Rev. Lett. 103, 074501 (2009), link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.074501

Fuente:Instituto de Tecnología de California (noticias:web)