Moderne constructie is een precisie-inspanning. Bouwers moeten componenten gebruiken die zijn vervaardigd om aan specifieke normen te voldoen, zoals balken met een gewenste samenstelling of klinknagels van een specifieke maat. De bouwsector vertrouwt op fabrikanten om deze componenten betrouwbaar en reproduceerbaar te maken om veilige bruggen en geluidswolkenkrabbers te bouwen.

Stel je nu een constructie voor op een kleinere schaal - minder dan 1/100e van de dikte van een stuk papier. Dit is de nanoschaal. Het is de schaal waarop wetenschappers werken aan de ontwikkeling van potentieel baanbrekende technologieën op gebieden als quantum computing. Het is ook een schaal waarop traditionele fabricagemethoden gewoon niet werken. Onze standaard gereedschappen, zelfs geminiaturiseerd, zijn te omvangrijk en te corrosief om op nanoschaal reproduceerbare componenten te vervaardigen.

Onderzoekers van de Universiteit van Washington hebben een methode ontwikkeld die reproduceerbare fabricage op nanoschaal mogelijk maakt. Het team paste een op licht gebaseerde technologie aan die veel wordt gebruikt in de biologie - bekend als optische vallen of optische pincetten - om te werken in een watervrije vloeibare omgeving van koolstofrijke organische oplosmiddelen, waardoor nieuwe potentiële toepassingen mogelijk worden.

Zoals het team meldt in een paper die op 30 oktober in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurcommunicatie , het optische pincet werkt als een op licht gebaseerde "tractorstraal" die halfgeleidermaterialen op nanoschaal precies in grotere structuren kan assembleren. In tegenstelling tot de trekstralen van sciencefiction, die ruimteschepen grijpen, het team gebruikt het optische pincet om materialen te vangen die bijna een miljard keer korter zijn dan een meter.

"Dit is een nieuwe benadering van fabricage op nanoschaal, " zei co-senior auteur Peter Pauzauskie, een UW universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, faculteitslid van het Molecular Engineering &Sciences Institute en het Institute for Nano-engineered Systems, en een senior wetenschapper aan het Pacific Northwest National Laboratory. "Er zijn geen kameroppervlakken betrokken bij het productieproces, die de vorming van spanning of andere defecten minimaliseert. Alle componenten zijn gesuspendeerd in oplossing, en we kunnen de grootte en vorm van de nanostructuur regelen terwijl deze stuk voor stuk wordt geassembleerd."

"Door deze techniek in een organisch oplosmiddel te gebruiken, kunnen we werken met componenten die anders zouden afbreken of corroderen bij contact met water of lucht, " zei co-senior auteur Vincent Holmberg, een UW-assistent-professor chemische technologie en faculteitslid in het Clean Energy Institute en het Molecular Engineering &Sciences Institute. "Organische oplosmiddelen helpen ons ook om het materiaal waarmee we werken te oververhitten, waardoor we materiaaltransformaties kunnen beheersen en de chemie kunnen stimuleren."

Om het potentieel van deze aanpak aan te tonen, de onderzoekers gebruikten de optische pincet om een ​​nieuwe nanodraad heterostructuur te bouwen, dat is een nanodraad die bestaat uit verschillende secties die uit verschillende materialen bestaan. De uitgangsmaterialen voor de nanodraad heterostructuur waren kortere "nanorods" van kristallijn germanium, elk slechts een paar honderd nanometer lang en tientallen nanometers in diameter - of ongeveer 5, 000 keer dunner dan een mensenhaar. Elk is afgedekt met een metalen bismut nanokristal.

De onderzoekers gebruikten vervolgens de op licht gebaseerde "tractorstraal" om een ​​van de germanium-nanostaafjes te grijpen. Energie van de straal oververhit ook de nanostaaf, het smelten van de bismutdop. Vervolgens geleiden ze een tweede nanostaafje in de "tractorbalk" en solderen ze - dankzij de gesmolten bismut-dop aan het uiteinde - end-to-end. De onderzoekers konden het proces vervolgens herhalen totdat ze een nanodraad-heterostructuur met patronen hadden samengesteld met herhalende halfgeleider-metaalverbindingen die vijf tot tien keer langer waren dan de afzonderlijke bouwstenen.

"We zijn dit optisch georiënteerde assemblageproces 'fotonisch nanosolderen' gaan noemen - in wezen twee componenten aan elkaar solderen op nanoschaal met behulp van licht, ’ zei Holmberg.

Nanodraden die verbindingen tussen materialen bevatten, zoals de germanium-bismut-verbindingen die door het UW-team zijn gesynthetiseerd, kunnen uiteindelijk een manier zijn om topologische qubits te maken voor toepassingen in kwantumcomputers.

De trekstraal is eigenlijk een zeer gerichte laser die een soort optische val creëert, een Nobelprijswinnende methode ontwikkeld door Arthur Ashkin in de jaren zeventig. Daten, optische vallen zijn bijna uitsluitend gebruikt in op water of vacuüm gebaseerde omgevingen. De teams van Pauzauskie en Holmberg hebben optische trapping aangepast om te werken in de meer vluchtige omgeving van organische oplosmiddelen.

"Het genereren van een stabiele optische val in elk type omgeving is een delicate evenwichtsoefening van krachten, en we hadden het geluk dat twee zeer getalenteerde afgestudeerde studenten samen aan dit project werkten, ’ zei Holmberg.

De fotonen waaruit de laserstraal bestaat, genereren een kracht op objecten in de directe omgeving van de optische val. De onderzoekers kunnen de eigenschappen van de laser aanpassen, zodat de gegenereerde kracht een object kan vasthouden of loslaten. of het nu een enkele germanium-nanostaaf is of een langere nanodraad.

"Dit is het soort precisie dat nodig is voor betrouwbare, reproduceerbare nanofabricagemethoden, zonder chaotische interacties met andere oppervlakken of materialen die defecten of spanningen in nanomaterialen kunnen veroorzaken, ' zei Pauzauski.

De onderzoekers zijn van mening dat hun nanosoldeerbenadering de additieve fabricage van structuren op nanoschaal met verschillende sets materialen voor andere toepassingen mogelijk zou maken.

"We hopen dat deze demonstratie ertoe leidt dat onderzoekers optische trapping gebruiken voor de manipulatie en assemblage van een bredere reeks materialen op nanoschaal, ongeacht of deze materialen al dan niet verenigbaar zijn met water, ’ zei Holmberg.