Esta imagen de micrografía electrónica de barrido (SEM) muestra la punta de prueba nanomecánica pasando sobre las matrices de nanopilares hechos a medida mientras aplica presión para probar la elasticidad y el potencial de almacenamiento de energía. El recuadro muestra la estructura de un nanopilar híbrido individual. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Y la Universidad de Connecticut han desarrollado un nanomaterial personalizable que combina la resistencia metálica con una capacidad similar a la espuma para comprimir y retroceder.
"Diseñamos materiales que pueden almacenar y liberar una cantidad sin precedentes de energía mecánica en la nanoescala, por su peso, uno de los materiales de ingeniería de alta resistencia más altos que se conocen, ", dijo el científico de Brookhaven Lab e investigador principal, Chang-Yong Nam." Y nuestra técnica encaja en los procesos de semiconductores industriales existentes, lo que significa que el salto del laboratorio a las aplicaciones prácticas debería ser sencillo ".
El estudio, publicado el 19 de octubre en la revista Nano letras , describe nanoestructuras que abarcan apenas unas mil millonésimas de metro de tamaño compuestas por moléculas orgánicas e inorgánicas. Estas estructuras con patrones personalizados, como los pilares explorados en este estudio, permitirán sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) más avanzados, por ejemplo en dispositivos que requieren resortes ultrapequeños, palancas o motores. La tecnología NEMS que potencialmente podría explotar este nuevo material incluye acelerómetros ultrasensibles, resonadores multifuncionales, y músculos artificiales biosintéticos.
"El avance se basó en que desarrolláramos la síntesis, Nam añadió. "Vinculamos la experiencia en la deposición de capas atómicas y la litografía por haz de electrones con la innovadora infiltración de material en fase de vapor para dar vida a estos nuevos materiales".
Elasticidad a nanoescala
La colaboración buscaba mejorar un parámetro específico:el "módulo de resiliencia, "o la medida de la capacidad de un material para absorber energía mecánica y luego liberarla sin sufrir daños estructurales. Esto requiere tanto una alta resistencia mecánica como una baja rigidez, una combinación poco común, ya que esas cualidades suelen aumentar simultáneamente.
"Nuestros materiales híbridos orgánicos-inorgánicos exhiben una alta resistencia similar a un metal pero una baja rigidez similar a la espuma, "dijo el coautor Keith Dusoe de la Universidad de Connecticut, quien realizó las pruebas nanomecánicas y el análisis teórico. "Este acoplamiento único de propiedades mecánicas explica la capacidad de nuestro material para almacenar y liberar una cantidad extraordinariamente grande de energía elástica".
Esa elasticidad esencial, como la flexión y la liberación de un músculo, está limitada tanto por la química como por la estructura, por lo que los científicos recurrieron a un material híbrido que incluía elementos tanto orgánicos como inorgánicos.
Síntesis de infiltración
El proceso comenzó con la litografía, donde un haz enfocado de electrones talló pequeños pilares (300 nanómetros de ancho y 1000 nanómetros de alto) en un polímero llamado SU-8, un material sensible a la luz que se usa típicamente para la fabricación de dispositivos a escala micrométrica. La geometría precisa del proceso de litografía sentó las bases estructurales para la subsiguiente infiltración de elementos inorgánicos, ambos realizados en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven Lab. una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
El equipo colocó la matriz de nanopilares en una cámara de vacío e introdujo un vapor precursor de aluminio, un proceso llamado deposición de capa atómica (ALD). El precursor penetra naturalmente en los poros de los pilares de polímero, un poco como cemento molecular alisando grietas y fisuras en una acera. La exposición posterior al agua transformó el precursor de aluminio en una molécula de óxido metálico, que refuerza la matriz polimérica. El número y la duración de estas exposiciones permite a los investigadores ajustar las propiedades mecánicas últimas del material.
"Este proceso de infiltración debería permitir la combinación única de resiliencia elástica mecánica con propiedades electrónicas e incluso ópticas, dados los diversos sistemas de materiales inorgánicos que podemos infiltrar, "Nam dijo." Estos materiales híbridos serían realmente nuevos, con propiedades combinadas nunca antes vistas. Y fundamentalmente, podemos ejecutar este paso con sistemas de deposición escalables y disponibles comercialmente ".
Este diagrama muestra el innovador proceso de síntesis desarrollado para estos nanomateriales híbridos. Primero, la litografía por haz de electrones talla los nanopilares aislados, luego, un vapor de aluminio (TMA) se infiltra en los poros de las estructuras, y finalmente la exposición al agua crea el material final infundido con óxido de aluminio. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Probaron la composición química y la estructura con microscopía electrónica de transmisión en CFN, lo que reveló que los grupos esféricos de óxido de aluminio permanecían químicamente discretos pero completamente integrados en la matriz de nanopilares.
"Esta mezcla completa, y en particular la forma esférica de los racimos de óxidos metálicos, contribuye al notable módulo de resiliencia, "Dijo Dusoe." Sin el relleno de óxido de metal a nanoescala infiltrado, los pilares de polímero serían aplastados bajo tensión mecánica ".
Para probar esa resiliencia, Los científicos de la Universidad de Connecticut pasaron una punta nanomecánica a través de la muestra, que fue capaz de presionar suavemente los pilares individuales, cada uno unas 200 veces más delgado que un cabello humano. El equipo midió la relación entre la energía mecánica elástica, la capacidad del material para almacenarlo y liberarlo, y la integridad estructural.
"El alto módulo de resiliencia y la alta resistencia son realmente sorprendentes, "dijo Seok-Woo Lee, el investigador principal del equipo de la Universidad de Connecticut. "Nuestro material híbrido puede proporcionar una gran protección contra los impactos mecánicos y la resistencia superior en la capa superficial garantiza una excelente resistencia al desgaste. La técnica de infiltración tendrá un gran impacto en las comunidades de nanofabricación".
La colaboración continuará modificando las propiedades estructurales y químicas para explotar aún más estos materiales y prepararlos para las aplicaciones.
"La síntesis de infiltración es todavía una técnica relativamente nueva, "Nam dijo." Estoy encantado con sus futuras aplicaciones en la generación de nuevos materiales híbridos funcionales y nanoestructuras inorgánicas para mejorar el rendimiento de varios sensores, energía, y tecnologías ambientales ".
