(PhysOrg.com) - Los científicos del Instituto de Tecnología de California han realizado experimentos que confirman cuál de los tres posibles mecanismos es responsable de la formación espontánea de matrices de pilares tridimensionales (3-D) en nanofilms (películas de polímero que son mil millonésimas de una metro de espesor). Estas protuberancias aparecen repentinamente cuando la superficie de una nanofilm fundida se expone a un gradiente de temperatura extremo y se autoorganiza en forma hexagonal, laminar cuadrado, o patrones en espiral.

Sandra Troian está desarrollando este método poco convencional de modelar películas, profesor de física aplicada, aeronáutica, e ingeniería mecánica en Caltech, que utiliza la modulación de las fuerzas superficiales para dar forma y moldear nanofilms licuables en formas tridimensionales. "Mi objetivo final es desarrollar un conjunto de técnicas litográficas tridimensionales basadas en modulación digital térmica, eléctrico, y fuerzas superficiales magnéticas, ", Dice Troian. La confirmación del mecanismo correcto le ha permitido deducir la resolución máxima o el tamaño mínimo de la característica en última instancia posible con estas técnicas de creación de patrones.

En el método de Troian, Primero se esculpen formas arbitrarias a partir de una película fundida mediante fuerzas superficiales y luego se solidifican instantáneamente in situ enfriando la muestra. "Estas técnicas son ideales para la fabricación de componentes ópticos o fotónicos que exhiben interfaces ultrasuaves, ", explica. El proceso también introduce una nueva física interesante que solo se hace evidente en la nanoescala". Incluso en la tierra de los liliputienses, estas fuerzas son insignificantes en el mejor de los casos, pero a nanoescala o aún más pequeñas, ellos gobiernan el mundo, " ella dice.

Los experimentos que llevaron a este descubrimiento se destacaron en la portada del número del 29 de abril de la revista. Cartas de revisión física .

Los experimentos diseñado para aislar la física detrás del proceso, son desafiantes en el mejor de los casos. La configuración requiere dos sustratos planos, que están separados solo por unos pocos cientos de nanómetros, permanecer perfectamente paralelo a distancias de un centímetro o más.

Tal configuración experimental presenta varias dificultades, incluyendo que "ningún sustrato de este tamaño es realmente plano, "Troian dice, "e incluso el termopar más pequeño del mundo es demasiado grande para caber dentro del espacio". Además, ella dice, "el gradiente térmico en la brecha puede superar valores de un millón de grados por centímetro, por lo que la configuración experimenta una expansión significativa, distorsión, y contracción durante una carrera típica ".

De hecho, Todos los estudios anteriores enfrentaron desafíos similares, lo que llevó a estimaciones inexactas del gradiente térmico y la incapacidad de ver la formación y el crecimiento de las estructuras. entre otros problemas. "Para complicar las cosas, "Troian dice, "todos los datos anteriores de la literatura se obtuvieron en etapas muy tardías de crecimiento, mucho más allá del régimen de validez de los modelos teóricos, "Dice Troian.

Los experimentos de Caltech resolvieron estos desafíos volviendo a las mediciones in situ. Los investigadores reemplazaron el sustrato frío superior con una ventana transparente hecha de un zafiro de cristal único, lo que les permitió ver directamente las formaciones en desarrollo. También utilizaron interferometría de luz blanca para ayudar a mantener el paralelismo durante cada ejecución y para registrar la forma emergente y la tasa de crecimiento de las estructuras emergentes. También se utilizaron simulaciones de elementos finitos para obtener estimaciones mucho más precisas del gradiente térmico en el pequeño espacio.

"Cuando todo está dicho y hecho, Nuestros resultados indican que este proceso de formación no es impulsado por la atracción electrostática entre la superficie de la película y el sustrato cercano, similar a lo que sucede cuando se pasa un peine por el cabello, o fluctuaciones de presión dentro de la película por reflejos de fonones acústicos, las excitaciones colectivas. de moléculas, como una vez se creyó, Troian explica. "Los datos simplemente no se ajustan a estos modelos, No importa que tan duro lo intentes, ", dice. Los datos tampoco parecían ajustarse a un tercer modelo basado en la estructuración de la película por flujo termocapilar, el flujo de regiones más cálidas a más frías que acompaña a las variaciones de temperatura de la superficie".

Troian propuso el modelo termocapilar hace varios años. Los cálculos de esta "inestabilidad de búsqueda de frío" sugieren que las nanofilms son siempre inestables en respuesta a la formación de matrices de pilares tridimensionales. independientemente del tamaño del gradiente térmico. Pequeñas protuberancias en la película experimentan una temperatura ligeramente más fría que el líquido circundante debido a su proximidad a un objetivo frío. La tensión superficial de esas puntas es mayor que la de la película circundante. Este desequilibrio genera una fuerza superficial muy fuerte que "empuja" el fluido hacia arriba y "hacia la tercera dimensión, ", dice. Este proceso da lugar fácilmente a grandes conjuntos de hoyuelos, crestas pilares, y otras formas. Una versión no lineal del modelo sugiere cómo los pines fríos también se pueden usar para formar matrices más regulares.

Al principio, Troian se sintió decepcionado porque las mediciones no coincidían con las predicciones teóricas. Por ejemplo, la predicción del espaciamiento entre las protuberancias fue un factor de dos o más. "Se me ocurrió que ciertas propiedades de la nanofilm que se ingresará en el modelo podrían ser bastante diferentes a los valores de la literatura obtenidos de muestras macroscópicas, ", señala.

Ella reclutó el consejo del ingeniero mecánico Ken Goodson en Stanford, experto en transporte térmico en nanofilms, quien confirmó que también había notado una mejora significativa en la capacidad de transferencia de calor de ciertas nanofilms. Investigaciones posteriores revelaron que otros grupos de todo el mundo han comenzado a informar sobre mejoras similares en las características ópticas y de otro tipo de las nanofilms. "¡Y listo! ... ajustando un parámetro clave, "Troian dice, "obtuvimos una concordancia perfecta entre el experimento y la teoría. ¡Qué genial es eso!"

No satisfecho con estos hallazgos, Troian quiere lanzar un estudio separado para encontrar la fuente de estas propiedades mejoradas en las nanofilms. "Ahora que nuestro horizonte está despejado, Le garantizo que no nos quedaremos quietos hasta que podamos fabricar algunos componentes inusuales cuya forma y respuesta óptica solo pueden formarse mediante un proceso de este tipo ".