De izquierda a derecha:imágenes de microscopio electrónico de barrido de nanopirámides de plata y redes de pesca de plata fabricadas mediante impresión de choque láser.
Un nuevo método que crea patrones de gran área de nanoformas tridimensionales a partir de láminas de metal representa un sistema de fabricación potencial para producir innovaciones en masa de forma económica, como los "metamateriales plasmónicos" para tecnologías avanzadas.
Los metamateriales tienen superficies diseñadas que contienen características, patrones o elementos en la escala de nanómetros que permiten un control de la luz sin precedentes y podrían traer innovaciones como la electrónica de alta velocidad, sensores avanzados y células solares.
El nuevo método llamada impresión de choque láser, crea formas a partir de las formas cristalinas de los metales, potencialmente dándoles propiedades ópticas y mecánicas ideales utilizando un sistema de sobremesa capaz de producir las formas en masa a bajo costo
Los hallazgos se detallan en un artículo de investigación que aparece el viernes (12 de diciembre) en la revista. Ciencias . El artículo está escrito por investigadores de la Universidad de Purdue, Universidad Harvard, Instituto de Estudios Avanzados de Madrid, y la Universidad de California, San Diego. La investigación está dirigida por Gary Cheng, profesor asociado de ingeniería industrial en Purdue.
Las formas, que incluyen nanopiramides, engranajes barras, ranuras y un patrón de rejilla, son demasiado pequeños para ser vistos sin instrumentos de imagen especializados y son miles de veces más delgados que el ancho de un cabello humano. Los investigadores utilizaron su técnica para estampar nanoformas de titanio, aluminio, cobre, Oro y plata.
Un beneficio clave de la formación inducida por golpes son las esquinas y las características verticales claramente definidas, o estructuras de alta fidelidad.
"Estas nanoformas también tienen superficies extremadamente lisas, que es potencialmente muy ventajoso para aplicaciones comerciales, ", Dijo Cheng." Tradicionalmente, ha sido realmente difícil deformar un material cristalino en un nanomolde mucho más pequeño que el tamaño de grano de los materiales de partida, y debido a los efectos del tamaño, los materiales son superresistentes cuando el tamaño de grano debe reducirse a tamaños muy pequeños. Por lo tanto, es muy difícil generar un flujo de metal en nanomoldes con conformación tridimensional de alta fidelidad ".
Los investigadores también crearon estructuras híbridas que combinan metal con grafeno, una hoja ultrafina de carbono prometedora para diversas tecnologías. Tal material híbrido podría mejorar el efecto plasmónico y traer "absorbentes perfectos de metamateriales, "o AMP, que tienen aplicaciones potenciales en optoelectrónica y comunicaciones inalámbricas.
"Podemos generar nanopatrones en materiales híbridos de metal-grafeno, que abre nuevas formas de modelar cristales 2-D, "Dijo Cheng.
La técnica funciona mediante el uso de un láser pulsado para generar una impresión de metales de "alta tasa de deformación" en el nanomolde.
De izquierda a derecha:imágenes de microscopio electrónico de barrido de una serie de nanoengranajes impresos en papel de aluminio laminado en frío y nanobarras.
"Empezamos con una película fina de metal, y podemos deformarlo en nanoformas tridimensionales con patrones en grandes áreas, ", Dijo Cheng." Lo que es más interesante es que las nanoestructuras tridimensionales resultantes siguen siendo cristalinas después del proceso de impresión, que proporciona buenas propiedades electromagnéticas y ópticas ".
Mientras que otros investigadores han creado nanoformas a partir de materiales relativamente blandos o amorfos, La nueva investigación muestra cómo crear nanoformas a partir de metales duros y cristalinos.
Los nanomoldes de silicio fueron fabricados en el Birck Nanotechnology Center en Purdue's Discovery Park por un grupo de investigación dirigido por Minghao Qi. profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática.
"Es contrario a la intuición utilizar silicio para moldes porque es un material bastante frágil en comparación con los metales, "Dijo Qi." Sin embargo, después de depositar una capa ultrafina de óxido de aluminio en los nanomoldes, funciona extremadamente bien para este propósito. Los nanomoldes se pueden reutilizar muchas veces sin que se produzcan daños evidentes. Parte de la razón es que, aunque la tasa de deformación es muy alta, la presión de choque aplicada es de sólo 1-2 gigapascales ".
Se demostró que las formas tenían una "relación de aspecto" de hasta 5, lo que significa que la altura es cinco veces mayor que la anchura, una característica importante para el desempeño de metamateriales plasmónicos.
De izquierda a derecha:imágenes de microscopio electrónico de barrido de una serie de ranuras en V triangulares y una serie de nanotrenches en una película delgada de titanio.
"Es una tarea muy desafiante desde el punto de vista de la fabricación crear nanoestructuras de alta fidelidad, "Dice Qi." Normalmente, cuando los metales se recristalizan, forman granos y eso los hace más o menos ásperos. Los ensayos anteriores para formar nanoestructuras metálicas han tenido que recurrir a la impresión de metales cristalinos a muy alta presión o la impresión de metales amorfos. que produce una gran rugosidad en metales cristalinos o superficies lisas en metales amorfos pero una resistencia eléctrica muy alta. Para posibles aplicaciones en nanoelectrónica, optoelectrónica y plasmónica desea propiedades como alta precisión, baja pérdida electromagnética, alta conductividad eléctrica y térmica. También desea que sea de muy alta fidelidad en términos del patrón, Esquinas filosas, paredes laterales verticales, y esos son muy difíciles de obtener. Antes del gran avance de Gary, Pensé que era poco probable lograr todas las buenas cualidades juntas ".
El documento fue escrito por los estudiantes de doctorado de Purdue, Huang Gao, Yaowu Hu, Ji Li, y Yingling Yang; el investigador Ramses V. Martinez de Harvard y el Instituto de Estudios Avanzados de Madrid; El profesor asistente de investigación de Purdue, Yi Xuan, El asociado de investigación de Purdue, Chunyu Li; Jian Luo, profesor de la Universidad de California, San Diego; Qi y Cheng.
La investigación futura puede centrarse en el uso de la técnica para crear un sistema de fabricación de rollo a rollo, que se utiliza en muchas industrias, incluida la producción de papel y láminas de metal, y puede ser importante para nuevas aplicaciones como la electrónica flexible y las células solares.
