(PhysOrg.com) -- Een eenvoudige techniek om voor het menselijk oog onzichtbare patronen op een speciale klasse nanomaterialen te stempelen, biedt een nieuwe, kosteneffectieve manier om nieuwe apparaten te produceren op gebieden variërend van medicijnafgifte tot zonnecellen.

De techniek is ontwikkeld door ingenieurs van Vanderbilt University en beschreven in het omslagartikel van het meinummer van het tijdschrift Nano-letters .

De nieuwe methode werkt met materialen die bezaaid zijn met kleine holtes die ze een unieke optische, elektrisch, chemische en mechanische eigenschappen. Stel je een stijve, sponsachtig materiaal gevuld met gaatjes die te klein zijn om te zien zonder een speciale microscoop.

Voor een aantal jaar, wetenschappers hebben onderzoek gedaan naar het gebruik van deze materialen – poreuze nanomaterialen genoemd – voor een breed scala aan toepassingen, waaronder medicijnafgifte, chemische en biologische sensoren, zonnecellen en batterij-elektroden. Er zijn nanoporeuze vormen van goud, silicium, aluminiumoxide, en titaniumoxide, onder andere.

Eenvoudig stempelen

Een belangrijk obstakel voor het gebruik van de materialen is de complexiteit en de kosten van de verwerking die nodig is om ze tot apparaten te maken.

Nutsvoorzieningen, Universitair hoofddocent Elektrotechniek Sharon M. Weiss en haar collega's hebben een snelle, goedkoop imprintproces dat een verscheidenheid aan nanodevices uit deze intrigerende materialen kan uitroeien.

“Het is verbazingwekkend hoe gemakkelijk het is. We maakten onze eerste afdruk met een gewone bankschroef, ’ zei Wies. "En de resolutie is verrassend goed."

De traditionele strategieën die worden gebruikt om apparaten van nanoporeuze materialen te maken, zijn gebaseerd op het proces dat wordt gebruikt om computerchips te maken. Dit moet worden gedaan in een speciale schone ruimte en omvat het schilderen van het oppervlak met een speciaal materiaal dat een resist wordt genoemd, het blootstellen aan ultraviolet licht of het oppervlak scannen met een elektronenstraal om het gewenste patroon te creëren en vervolgens een reeks chemische behandelingen toepassen om het oppervlak te graveren of nieuw materiaal neer te leggen. Hoe ingewikkelder het patroon, hoe langer het duurt om te maken.

Ongeveer twee jaar geleden, Weiss kwam op het idee om vooraf gemasterde stempels te maken met behulp van het complexe proces en vervolgens de stempels te gebruiken om de apparaten te maken. Weiss noemt de nieuwe benadering directe imprinting van poreuze substraten (DIPS). DIPS kan in minder dan een minuut een apparaat maken, ongeacht de complexiteit ervan. Tot dusver, haar groep meldt dat het meer dan 20 keer meesterstempels heeft gebruikt zonder tekenen van bederf.

Proces kan patronen op nanoschaal produceren

Het kleinste patroon dat Weiss en haar collega's tot nu toe hebben gemaakt, heeft kenmerken van slechts enkele tientallen nanometers, dat is ongeveer de grootte van een enkel vetzuurmolecuul. Ze zijn er ook in geslaagd om het kleinste patroon dat tot nu toe is gerapporteerd in nanoporeus goud te printen, een met functies van 70 nanometer.

Het eerste apparaat dat de groep maakte, is een "op diffractie gebaseerde" biosensor die kan worden geconfigureerd om een ​​verscheidenheid aan verschillende organische moleculen te identificeren, inclusief DNA, eiwitten en virussen. Het apparaat bestaat uit een rooster gemaakt van poreus silicium dat is behandeld zodat een doelmolecuul eraan blijft kleven. De sensor wordt blootgesteld aan een vloeistof die het doelmolecuul kan bevatten en wordt vervolgens afgespoeld. Als het doelwit aanwezig was, dan blijven enkele van de moleculen in het rooster plakken en veranderen het patroon van gereflecteerd licht dat wordt geproduceerd wanneer het rooster wordt belicht met een laser.

Volgens de analyse van de onderzoekers, wanneer zo'n biosensor gemaakt is van nanoporeus silicium is hij gevoeliger dan die van gewoon silicium.

De Weiss-groep werkte samen met collega's van Chemical and Biomolecular Engineering om de nieuwe techniek te gebruiken om chemische sensoren met nanopatroon te maken die tien keer gevoeliger zijn dan een ander type commerciële chemische sensor, Klarite genaamd, die de basis vormt van een markt van miljoenen dollars.

De onderzoekers hebben ook aangetoond dat ze de stempels kunnen gebruiken om nauwkeurig gevormde microdeeltjes te maken door een proces dat 'overstamping' wordt genoemd en dat in wezen door de nanoporeuze laag snijdt om de deeltjes van het substraat te bevrijden. Een mogelijke toepassing voor microdeeltjes die op deze manier van nanoporeus silicium zijn gemaakt, zijn als anodes in lithium-ionbatterijen, die hun capaciteit aanzienlijk zouden kunnen vergroten zonder veel gewicht toe te voegen.

Vanderbilt University heeft patent aangevraagd op de DIPS-methode.