Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han arrojado luz sobre el papel de la temperatura en el control de una técnica de fabricación para dibujar patrones químicos tan pequeños como 20 nanómetros. Esta técnica podría proporcionar una ruta rápida para cultivar y modelar una amplia variedad de materiales en superficies para construir circuitos eléctricos y sensores químicos, o estudiar cómo los productos farmacéuticos se unen a proteínas y virus.

Una forma de escribir directamente estructuras a nanoescala en un sustrato es usar la punta de un microscopio de fuerza atómica (AFM) como un bolígrafo para depositar moléculas de tinta a través de la difusión molecular en la superficie. A diferencia de las técnicas de nanofabricación convencionales que son caras, requieren entornos especializados y normalmente trabajan con pocos materiales, esta tecnica, llamada nanolitografía de pluma sumergida, se puede utilizar en casi cualquier entorno para escribir muchos compuestos químicos diferentes. Un primo de esta técnica, llamada nanolitografía de pluma de inmersión térmica, extiende esta técnica a materiales sólidos al convertir una punta de AFM en un pequeño soldador.

La nanolitografía Dip-pen se puede utilizar para modelar características tan pequeñas como 20 nanómetros, más de cuarenta mil veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. Y lo que es más, la punta de escritura también funciona como perfilador de superficies, lo que permite obtener imágenes de una superficie recién escrita con precisión a nanoescala inmediatamente después del patrón.

"La fabricación basada en puntas es una verdadera promesa para la fabricación precisa de dispositivos a nanoescala, "dice Jim DeYoreo, director interino de la fundición molecular de Berkeley Lab, un centro de investigación de nanociencia del DOE. "Sin embargo, una tecnología sólida requiere una base científica construida sobre la comprensión de la transferencia de material durante este proceso. Nuestro estudio es el primero en proporcionar esta comprensión fundamental de la nanolitografía de pluma de inmersión térmica ".

En este estudio, DeYoreo y sus compañeros de trabajo investigaron sistemáticamente el efecto de la temperatura en el tamaño de las características. Usando sus resultados, el equipo desarrolló un nuevo modelo para deconstruir cómo viajan las moléculas de tinta desde la punta de escritura hasta el sustrato, se ensamblan en una capa ordenada y se convierten en una característica a nanoescala.

"Al considerar detenidamente el papel de la temperatura en la nanolitografía de pluma de inmersión térmica, es posible que podamos diseñar y fabricar patrones a nanoescala de materiales que van desde moléculas pequeñas hasta polímeros con un mejor control sobre los tamaños y formas de las características en una variedad de sustratos, "dice Sungwook Chung, un científico de planta en la División de Biociencias Físicas de Berkeley Lab, y usuario de Foundry que trabaja con DeYoreo.

"Esta técnica ayuda a superar las limitaciones fundamentales de la escala de tallas sin la necesidad de métodos de crecimiento complejos".

DeYoreo y Chung colaboraron con un equipo de investigación de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign que se especializa en fabricar puntas especializadas para AFM. Aquí, Estos colaboradores desarrollaron una punta AFM basada en silicio con un gradiente de átomos portadores de carga esparcidos en el silicio de tal manera que un número más alto reside en la base mientras que menos se sientan en la punta. Esto hace que la punta se caliente cuando la electricidad fluye a través de ella, muy parecido al quemador de una estufa eléctrica.

Este 'nanocalentador' se puede usar para calentar las tintas aplicadas a la punta, haciendo que fluyan a la superficie para fabricar características a microescala y nanoescala. El grupo demostró esto dibujando puntos y líneas de la molécula orgánica ácido mercaptohexadecanoico en superficies de oro. Cuanto más caliente es la punta, cuanto mayor sea el tamaño de la función que el equipo pueda dibujar.

"Estamos entusiasmados con esta colaboración con Berkeley Lab, que combina sus notables capacidades de nanociencia con nuestra tecnología para controlar la temperatura y el flujo de calor en la escala nanométrica, "dice el coautor William P. King, profesor de ciencias mecánicas e ingeniería de la Universidad de Illinois. "Nuestra capacidad para controlar la temperatura dentro de un punto a escala nanométrica permitió este estudio del transporte a escala molecular. Al ajustar la temperatura del punto caliente, podemos sondear cómo fluyen las moléculas hacia una superficie ".

"Este control térmico sobre la transferencia de la punta a la superficie desarrollado por el grupo del profesor King agrega versatilidad al permitir variaciones sobre la marcha en el tamaño de la característica y el patrón de materiales líquidos y sólidos, "Agrega DeYoreo.