(PhysOrg.com) -- Wetenschappers van het California Institute of Technology hebben experimenten uitgevoerd om te bevestigen welk van de drie mogelijke mechanismen verantwoordelijk is voor de spontane vorming van driedimensionale (3-D) pijlerarrays in nanofilms (polymeerfilms die een miljardste van een meter dik). Deze uitsteeksels verschijnen plotseling wanneer het oppervlak van een gesmolten nanofilm wordt blootgesteld aan een extreme temperatuurgradiënt en zichzelf organiseren in zeshoekige, gelamelleerd, vierkant, of spiraalpatronen.

Deze onconventionele manier om films te maken wordt ontwikkeld door Sandra Troian, hoogleraar toegepaste natuurkunde, luchtvaart, en werktuigbouwkunde bij Caltech, die modulatie van oppervlaktekrachten gebruikt om vloeibare nanofilms te vormen en in 3D-vormen te vormen. "Mijn uiteindelijke doel is om een ​​reeks 3D-lithografische technieken te ontwikkelen op basis van externe, digitale modulatie van thermische, elektrisch, en magnetische oppervlaktekrachten, ", zegt Troian. Door het juiste mechanisme te bevestigen, kon ze de maximale resolutie of minimale functiegrootte afleiden die uiteindelijk mogelijk is met deze patroontechnieken.

In de methode van Troian, Willekeurige vormen worden eerst door oppervlaktekrachten uit een gesmolten film gebeeldhouwd en vervolgens ter plaatse onmiddellijk gestold door het monster af te koelen. "Deze technieken zijn bij uitstek geschikt voor de fabricage van optische of fotonische componenten die ultragladde interfaces vertonen, " legt ze uit. Het proces introduceert ook een aantal interessante nieuwe fysica die pas duidelijk wordt op nanoschaal. "Zelfs in het land van de lilliputters, deze krachten zijn op zijn best nietig, maar op nanoschaal of nog kleiner, zij heersen over de wereld, " ze zegt.

De experimenten die tot deze ontdekking hebben geleid, werden belicht op de omslag van het 29 april nummer van het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

de experimenten, ontworpen om de fysica achter het proces te isoleren, zijn op zijn best uitdagend. De installatie vereist twee soepele, vlakke ondergronden, die slechts enkele honderden nanometers van elkaar verwijderd zijn, om perfect parallel te blijven over afstanden van een centimeter of meer.

Een dergelijke experimentele opstelling levert verschillende problemen op, inclusief dat "geen enkel substraat van dit formaat echt vlak is, "Troian zegt, "en zelfs 's werelds kleinste thermokoppel is te groot om in de opening te passen." In aanvulling, ze zegt, "de thermische gradiënt in de opening kan waarden van een miljoen graden per centimeter overschrijden, dus de opstelling ondergaat een aanzienlijke uitbreiding, vervorming, en samentrekking tijdens een typische run."

In feite, alle eerdere studies werden geconfronteerd met vergelijkbare uitdagingen - wat leidde tot onnauwkeurige schattingen van de thermische gradiënt en het onvermogen om de vorming en groei van de structuren te zien, onder andere problemen. "Om de zaken nog ingewikkelder te maken, "Troian zegt, "alle eerdere gegevens in de literatuur werden verkregen in zeer late stadia van groei, ver buiten het geldigheidsregime van de theoretische modellen, ' zegt Trojan.

De Caltech-experimenten losten deze uitdagingen op door terug te keren naar in-situ metingen. De onderzoekers vervingen het bovenste koude substraat door een transparant venster gemaakt van een enkele kristalsaffier, waardoor ze de zich ontwikkelende formaties direct konden zien. Ze gebruikten ook interferometrie met wit licht om het parallellisme tijdens elke run te behouden en om de opkomende vorm en groeisnelheid van opkomende structuren vast te leggen. Eindige-elementensimulaties werden ook gebruikt om veel nauwkeurigere schattingen van de thermische gradiënt in de kleine opening te verkrijgen.

"Als alles achter de rug is, onze resultaten geven aan dat dit vormingsproces niet wordt aangedreven door elektrostatische aantrekking tussen het filmoppervlak en het nabijgelegen substraat - vergelijkbaar met wat er gebeurt als je een kam door je haar haalt - of drukschommelingen in de film door reflecties van akoestische fononen - de collectieve excitaties van moleculen - zoals eens geloofde, Trojan legt het uit. "De gegevens passen gewoon niet in deze modellen, hoe hard je ook probeert, " zegt ze. De gegevens leken ook niet te passen in een derde model dat is gebaseerd op filmstructurering door thermocapillaire stroming - de stroming van warmere naar koelere gebieden die gepaard gaat met variaties in oppervlaktetemperatuur.

Troian stelde enkele jaren geleden het thermocapillaire model voor. Berekeningen voor deze "koude zoekende instabiliteit" suggereren dat nanofilms altijd onstabiel zijn als reactie op de vorming van 3D-kolomarrays, ongeacht de grootte van de thermische gradiënt. Kleine uitsteeksels in de film ervaren een iets lagere temperatuur dan de omringende vloeistof vanwege hun nabijheid tot een koud doelwit. De oppervlaktespanning van die punten is groter dan die van de omringende film. Deze onbalans genereert een zeer sterke oppervlaktekracht die vloeistof naar boven en naar de derde dimensie "trekt", " zegt ze. Dit proces leidt gemakkelijk tot grote reeksen kuiltjes, richels, pijlers, en andere vormen. Een niet-lineaire versie van het model suggereert hoe koude pinnen ook kunnen worden gebruikt om meer regelmatige arrays te vormen.

Troian was aanvankelijk teleurgesteld dat de metingen niet overeenkwamen met de theoretische voorspellingen. Bijvoorbeeld, de voorspelling voor de afstand tussen uitsteeksels was een factor twee of meer afwijkend. "Het kwam bij me op dat bepaalde eigenschappen van de nanofilm die in het model moet worden ingevoerd heel anders kunnen zijn dan de literatuurwaarden die zijn verkregen uit macroscopische monsters, " merkt ze op.

Ze schakelde het advies in van werktuigbouwkundig ingenieur Ken Goodson van Stanford, een expert op het gebied van thermisch transport in nanofilms, die bevestigde dat hij ook een significante verbetering had opgemerkt in het vermogen tot warmteoverdracht van bepaalde nanofilms. Nader onderzoek bracht aan het licht dat andere groepen over de hele wereld soortgelijke verbeteringen in optische en andere kenmerken van nanofilms zijn gaan melden. "En voila! ... door één belangrijke parameter aan te passen, "Troian zegt, "we hebben een perfecte overeenstemming bereikt tussen experiment en theorie. Hoe cool is dat!"

Niet tevreden met deze bevindingen, Troian wil een apart onderzoek starten om de bron van deze verbeterde eigenschappen in nanofilms te vinden. "Nu onze horizon vrij is, Ik garandeer je dat we niet stil zullen zitten totdat we een aantal ongebruikelijke componenten kunnen fabriceren waarvan de vorm en optische respons alleen kunnen worden gevormd door een dergelijk proces."