Los investigadores desarrollaron una forma de alternar entre "bloques" de dos tipos de polímeros con longitudes precisas. Estos “copolímeros multibloque” forman espontáneamente estructuras cilíndricas y en capas (izquierda), que podrían usarse para la creación de nanopatrones, una forma de fabricar componentes microscópicos. Los investigadores también demostraron una estructura de "giroide doble" (derecha), que podría usarse para plantillas de nanopatrones más complicadas. Crédito:Universidad de Pensilvania
Los componentes microscópicos que componen los chips de computadora deben fabricarse a escalas asombrosas. Con miles de millones de transistores en un solo procesador, cada uno hecho de múltiples materiales cuidadosamente dispuestos en patrones tan delgados como una hebra de ADN, sus herramientas de fabricación también deben operar a nivel molecular.
Por lo general, estas herramientas implican el uso de plantillas para modelar o eliminar materiales de forma selectiva con alta fidelidad, capa tras capa, para formar dispositivos electrónicos a nanoescala. Pero como los chips deben adaptarse a más y más componentes para mantenerse al día con las crecientes demandas computacionales del mundo digital, estas plantillas de nanopatrones también deben volverse más pequeñas y precisas.
Ahora, un equipo de ingenieros de Penn ha demostrado cómo una nueva clase de polímeros podría hacer precisamente eso. En un nuevo estudio, los investigadores demostraron cómo los copolímeros "multibloque" pueden producir patrones excepcionalmente ordenados en películas delgadas, logrando espacios menores de tres nanómetros.
El equipo, dirigido por Karen Winey, profesora Harold Pender en los Departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química y Biomolecular, y Jinseok Park, estudiante de posgrado en su laboratorio, publicó estos hallazgos en la revista ACS Central Science . Colaboraron con Anne Staiger y el profesor Stefan Mecking de la Universidad de Konstanz, Alemania.
Las plantillas utilizadas en la fabricación de chips tienen patrones a nanoescala que se pueden producir mediante una variedad de métodos. Por ejemplo, las líneas finas y los puntos pequeños se pueden producir mediante una técnica conocida como autoensamblaje dirigido (DSA), donde la química del polímero está diseñada de manera que produce automáticamente la geometría deseada.
Los métodos DSA actuales utilizan copolímeros "dibloque", llamados así por tener dos bloques largos de diferentes polímeros unidos de extremo a extremo, que luego se ensamblan para producir los patrones necesarios.
La estructura de doble giroide aún no se usa en nanopatrones, pero podría permitir diseños más complejos. Crédito:Universidad de Pensilvania
"Cuando la fotolitografía no podía ser más pequeña, la DSA con copolímeros dibloque se volvió importante", dice Winey. "Pero obtener las líneas o los puntos que necesita para la creación de nanopatrones requiere que ambos bloques tengan longitudes específicas, y eso sigue siendo algo que es difícil de controlar con precisión".
Sin la proporción correcta de longitudes, los bloques de un copolímero dibloque forman líneas o puntos con cierta variabilidad en sus dimensiones, lo que reduce su utilidad como plantillas.
Juntos, los investigadores de Penn y Konstanz idearon una forma de controlar con mayor precisión esta proporción. En lugar de pegar dos grandes bloques de diferentes polímeros de extremo a extremo, utilizan una técnica conocida como "polimerización de crecimiento por pasos" para alternar perfectamente entre dos bloques más pequeños.
"En comparación con diblock", dice Winey, "estos copolímeros multibloque ofrecen una gama más amplia de productos químicos y un mayor control molecular. Esto se debe a que cada bloque A y cada bloque B tienen exactamente la misma longitud, lo que producirá una mayor uniformidad en el patrón. "
Una diferencia crítica que puede generar esta uniformidad es la capacidad del polímero para ensamblarse más fácilmente en una "estructura de doble giroide cocontinua" dentro de una película delgada. Este arreglo es particularmente útil para controlar las propiedades de transporte, ya que separa las regiones polares y no polares de los polímeros.
"El dominio continuo cargado puede promover la conductividad de las especies cargadas o polares, como el agua o los iones, y el dominio continuo no polar proporciona resistencia mecánica", dice Winey.
Los investigadores ahora están investigando cómo convertir mejor estas estructuras de película delgada en plantillas de nanopatrones funcionales, además de desarrollar una biblioteca de diferentes químicas de copolímeros multibloque que pueden formar estructuras de doble giroide. Polímeros fuertes, elásticos y autorregenerables que se recuperan rápidamente del daño
