Los investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder han utilizado láseres ultravioleta ultrarrápidos extremos para medir las propiedades de materiales más de 100 veces más delgados que un glóbulo rojo humano.

El equipo, dirigido por científicos de JILA, informó su nueva hazaña de delgadez de la oblea esta semana en la revista Materiales de revisión física . El objetivo del grupo, una película de solo 5 nanómetros de grosor, es el material más delgado que los investigadores han podido sondear por completo, dijo el coautor del estudio Joshua Knobloch.

"Este es un estudio que establece un récord para ver qué tan pequeños podríamos llegar a ser y qué tan precisos podríamos ser, "dijo Knobloch, un estudiante de posgrado en JILA, una asociación entre CU Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST).

Añadió que cuando las cosas se ponen pequeñas, las reglas normales de ingeniería no siempre se aplican. El grupo descubrió, por ejemplo, que algunos materiales parecen volverse mucho más blandos cuanto más delgados se vuelven.

Los investigadores esperan que sus hallazgos algún día ayuden a los científicos a navegar mejor por el nanomundo, a menudo impredecible, diseñar circuitos informáticos más pequeños y eficientes, semiconductores y otras tecnologías.

"Si estás haciendo nanoingeniería, no puede simplemente tratar su material como si fuera un material grande normal, "dijo Travis Frazer, autor principal del nuevo artículo y ex estudiante de posgrado en JILA. "Por el simple hecho de que es pequeño, se comporta como un material diferente ".

"Este sorprendente descubrimiento, que los materiales muy delgados pueden ser 10 veces más endebles de lo esperado, es otro ejemplo de cómo las nuevas herramientas pueden ayudarnos a comprender mejor el nanomundo. "dijo Margaret Murnane, un coautor de la nueva investigación, profesor de física en CU Boulder y miembro de JILA.

Nano ondulaciones

La investigación llega en un momento en el que muchas empresas de tecnología están tratando de hacer precisamente eso:hacerse pequeñas. Algunas empresas están experimentando formas de fabricar chips informáticos eficientes que colocan capas delgadas de material una encima de la otra, como una pasta filo, pero dentro de su computadora portátil.

El problema con ese enfoque, Frazer dijo:es que los científicos tienen problemas para predecir cómo se comportarán esas capas escamosas. Son demasiado delicados para medirlos de manera significativa con las herramientas habituales.

Para ayudar en ese objetivo, él y sus colegas desplegaron láseres ultravioleta extremos, o haces de radiación que emiten longitudes de onda más cortas que los láseres tradicionales, longitudes de onda que se adaptan bien al nanomundo. Los investigadores desarrollaron una configuración que les permite hacer rebotar esos rayos en capas de material de solo unas pocas hebras de ADN de espesor, rastreando las diferentes formas en que esas películas pueden vibrar.

"Si puede medir qué tan rápido se mueve su material, entonces puedes averiguar qué tan rígido es, "Dijo Frazer.

Disrupción atómica

El método también ha revelado cuánto pueden cambiar las propiedades de los materiales cuando los haces muy, muy pequeña.

En el estudio más reciente, por ejemplo, Los investigadores probaron la resistencia relativa de dos películas hechas de carburo de silicio:una de aproximadamente 46 nanómetros de espesor, y el otro de solo 5 nanómetros de grosor. El láser ultravioleta del equipo arrojó resultados sorprendentes. La película más delgada era aproximadamente 10 veces más suave, o menos rígido, que su contraparte más gruesa, algo que los investigadores no esperaban.

Frazer explicó que, si haces una película demasiado fina, puede cortar los enlaces atómicos que mantienen unido un material, un poco como desenredar una cuerda deshilachada.

"Los átomos en la parte superior de la película tienen otros átomos debajo a los que pueden aferrarse, "Dijo Frazer." Pero por encima de ellos, los átomos no tienen nada a lo que agarrarse ".

Pero no todos los materiales se comportarán de la misma manera, añadió. El equipo también volvió a realizar el mismo experimento en un segundo material que era casi idéntico al primero con una gran diferencia:este tenía muchos más átomos de hidrógeno agregados. Tal proceso de "dopaje" puede romper naturalmente los enlaces atómicos dentro de un material, haciendo que pierda fuerza.

Cuando el grupo probó ese segundo, material más endeble usando sus láseres, encontraron algo nuevo:este material era tan fuerte cuando tenía 44 nanómetros de espesor como cuando tenía unos escasos 11 nanómetros de espesor.

Dicho de otra manera, los átomos de hidrógeno adicionales ya habían debilitado el material; un poco de contracción adicional no podría causar más daño.

En el final, el equipo dice que su nueva herramienta láser ultravioleta les da a los científicos una ventana a un reino que antes estaba más allá del alcance de la ciencia.

"Ahora que la gente está construyendo mucho, dispositivos muy pequeños, preguntan cómo las propiedades como el grosor o la forma pueden cambiar el comportamiento de sus materiales, ", Dijo Knobloch." Esto nos da una nueva forma de acceder a la información sobre la tecnología a nanoescala ".

Esta investigación fue apoyada por el Centro de Ciencia y Tecnología de la Fundación Nacional de Ciencias STROBE sobre imágenes funcionales en tiempo real.