Híbrido, nanoestructuras multifuncionales con diversas formas 3D y composición compleja de materiales ahora se pueden fabricar con una técnica de fabricación precisa y eficiente.

La realización de nanomáquinas se acerca cada vez más a la realidad. Los investigadores del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart están ayudando a hacer realidad uno de los grandes desafíos de la nanociencia. Han desarrollado un método que hace posible fabricar una variedad de nanoestructuras funcionalizables y de formas inusuales. Les permite combinar materiales con propiedades químicas y físicas muy variadas en las escalas más pequeñas. El equipo de científicos encabezado por Peer Fischer incluso ha desarrollado antenas de luz helicoidales de menos de 100 nm de longitud a partir de materiales que normalmente no pueden moldearse a nanoescala. Esto se logra depositando el material con vapor sobre un disco giratorio súper enfriado. El proceso no solo permite la fabricación de nanoestructuras de manera más exacta que los métodos anteriores, varios miles de millones de tales nanopartículas se pueden producir en paralelo de manera rápida.

Varias de las ideas propuestas sobre lo que podría lograr la nanotecnología son bastante atrevidas:robots minúsculos podrían transportar medicamentos en el cuerpo humano a focos de enfermedades o ser lo suficientemente pequeños para operar dentro de una célula humana. Los nanomotores podrían actuar como sensores de luz o toxinas a escalas de longitud 2.000 veces más pequeñas que el grosor de un cabello humano. La información podría empaquetarse en dispositivos de almacenamiento a densidades muchas veces superiores a las que se pueden conseguir con la tecnología actual. La investigación para lograr algunos de estos objetivos ya está bastante cerca. Ahora, un equipo encabezado por Peer Fischer, Líder de un grupo de investigación en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes, se ha acercado aún más. "Hemos desarrollado un versátil preciso, y un proceso eficiente con el que se pueden fabricar a medida nanoestructuras tridimensionales a partir de diversos materiales ", dice Peer Fischer. "Hasta ahora, Las estructuras de menos de 100 nanómetros solo podrían crearse en formas muy simétricas, principalmente formas esféricas o cilíndricas ".

Con su nuevo método, los investigadores ahora pueden producir ganchos nanoscópicos híbridos, empulgueras, y estructuras en zigzag mediante el procesamiento de materiales con propiedades físicas muy diversas:metales, semiconductores, materiales magnéticos, y aislantes. Como ejemplo de las posibles aplicaciones, los investigadores produjeron hélices de oro que son adecuadas como nanoantenas para la luz. El color de la luz que absorben las antenas puede controlarse por su forma y composición del material. Con ellos, la luz circularmente polarizada se puede filtrar, por ejemplo, un proceso utilizado en proyectores para películas en 3D. También, el plano de oscilación de una onda electromagnética, que es la luz polarizada, gira en sentido horario o antihorario, dependiendo del sentido de rotación de la nanohélice metálica. El efecto es órdenes de magnitud mayor por hélice que lo que se ve con materiales naturales.

Nanoestructuras de una corriente de vapor en islas de nanodot de oro

Los investigadores de Stuttgart lograron un control exacto de la forma y estructura de los nanocomponentes mediante su elegante método. que puede producir varios cientos de miles de millones de copias de una estructura compleja en aproximadamente una hora. Con la ayuda de la nanolitografía micelar, que ha estado disponible durante varios años, Primero colocan miles de millones de nanopartículas de oro dispuestas regularmente sobre la superficie de una oblea de vidrio o silicio. Depositan partículas de oro cubiertas por una capa polimérica sobre el sustrato, que luego se organizan en un apretado, patron regular. Después de quitar la capa de polímero con un plasma, los puntos dorados quedan unidos al sustrato. Luego, los científicos colocan la oblea prediseñada en lo que es esencialmente una corriente de vapor metálico en un ángulo lo suficientemente oblicuo para que los átomos metálicos solo puedan ver las pequeñas islas de oro y se depositen solo en esos puntos. Por lo tanto, crecen rápidamente en nanoestructuras que pueden tener tamaños de características tan pequeños como 20 nm.

Si los investigadores rotan lentamente el sustrato durante la deposición de vapor, las varillas se enrollan en una hélice. Si rotan el sustrato bruscamente, se forma una forma de zigzag. Si se cambia el material que se vaporiza en la cámara durante el proceso, un material compuesto, como una aleación de metal, se forma. Y por supuesto, todos estos ingeniosos trucos se pueden combinar. Por ejemplo, unieron ganchos de cobre a varillas de óxido de aluminio usando una fina capa de titanio para adherir los dos materiales.

La idea crucial:enfriamiento con nitrógeno líquido

"Las estructuras más grandes ya se han producido durante un tiempo de manera similar", explica Andrew G. Mark, un investigador de Max Planck que jugó un papel importante en el desarrollo del método. "Hasta ahora, este método no se pudo transferir a nanoestructuras, sin embargo ". Esto se debe a que el calor, Los átomos móviles depositados por el vapor se organizan rápidamente en la superficie en una esfera debido a consideraciones energéticas. "Por lo tanto, se nos ocurrió la idea de enfriar el sustrato con nitrógeno líquido a aproximadamente menos 200 grados Celsius, que fluye a través del soporte del sustrato, de modo que un átomo se congela rápidamente y se fija en su posición tan pronto como aterriza en el vértice del nanocuerpo en crecimiento ", dice John G. Gibbs, quien igualmente contribuyó significativamente al trabajo en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes.

A pesar de la versatilidad del método, no todas las formas se pueden crear con él. "Debido a que la estructura siempre crece lejos de la oblea, sin anillos, se pueden formar triángulos o cuadrados cerrados ", dice Fischer. "No podemos construir una torre Eifel a nanoescala". Sin embargo, él y su equipo tienen abiertas muchas oportunidades. "Nuestro objetivo a largo plazo es construir nanomáquinas", dice Peer Fischer. "La naturaleza construye motores en la escala de unos 20 nanómetros. Nos gustaría acoplar nuestros componentes a estos motores". Entonces podría ser posible que muchos de los sueños de los nanoprevisores se conviertan en realidad.