(Phys.org) -- Sinds de eerste demonstratie van micro-elektromechanische systemen (MEMS) in het midden van de jaren 80, de technologie is niet zo nuttig gebleken als oorspronkelijk werd verwacht. Een van de problemen is dat de kleine componenten de neiging hebben om aan elkaar te kleven vanwege sterke oppervlakteadhesiekrachten op nanoschaal, een effect dat ingenieurs 'stiction' noemen. wetenschappers suggereren dat dit probleem kan worden opgelost door kwantumlevitatie tussen componenten te induceren, wat ze demonstreren door simpelweg een dunne metalen coating toe te voegen aan een van de op elkaar inwerkende oppervlakken.

Het team van onderzoekers, van instellingen in Noorwegen, Australië, en Zweden, heeft de studie over kwantumlevitatie tussen nano-oppervlakken gepubliceerd in een recent nummer van Technische Natuurkunde Brieven .

Het vreemde aan deze levitatie is dat het voortkomt uit de Casimir-Lifshitz-kracht, die de ongebruikelijke eigenschap heeft aantrekkelijk of weerzinwekkend te zijn. Als een soort van der Waals-kracht, het ontstaat tussen nabijgelegen deeltjes vanwege hun inherente elektrische eigenschappen.

In dit onderzoek, de wetenschappers keken naar de Casimir-Lifshitz-kracht die optreedt tussen twee silica-oppervlakken in een vloeistof (broombenzeen of tolueen). Normaal gesproken, deze kracht is aantrekkelijk, maar het verzwakt als de silicadeeltjes verder uit elkaar bewegen. Deze verzwakking wordt vertraging genoemd, en de onderzoekers ontdekten dat ze de afstand waarop vertraging optreedt konden verkleinen door een ultradunne laag goud op een van de silica-oppervlakken te coaten.

Deze kleine wijziging verschuift het vertragingsregime van een scheidingsafstand van enkele nanometers tot enkele nanometers door de diëlektrische eigenschappen van het gecoate silica-oppervlak te wijzigen. In feite, vertraging verzwakt de aantrekkingskracht zo sterk dat de kracht afstotend wordt wanneer de oppervlakken enkele nanometers of meer uit elkaar liggen, op een kritische afstand die de levitatieafstand wordt genoemd. Onder de levitatieafstand, de kracht wordt weer aantrekkelijk, terwijl het boven deze afstand steeds weerzinwekkender wordt tot een maximum. Op nog grotere afstanden de afstoting stabiliseert onder de maximale waarde.

De mogelijkheid om de Casimir-Lifshitz-kracht te beheersen is niet helemaal nieuw. Wetenschappers kennen deze effecten in theorie al sinds de jaren 70, maar alleen recente ontwikkelingen in nanotechnologie hebben experimenteel onderzoek mogelijk gemaakt.

“De interactie tussen twee silica-objecten in tolueen is aantrekkelijk, ” vertelde co-auteur Bo Sernelius van de Universiteit van Linköping in Zweden Phys.org . “Eerdere studies hebben aangetoond dat, als een van de objecten wordt vervangen door een massief gouden object, de interactie wordt weerzinwekkend voor afstanden buiten de levitatieafstand. Er is dus een potentiële barrière die de kans verkleint dat de objecten dichtbij komen en aan elkaar blijven plakken. We hebben gevonden, en dit is nieuw dat als we in plaats van een massief gouden object een silica-object hadden met een dunne gouden coating, de levitatieafstand werd kleiner en de barrière werd hoger. De kans op het voorkomen van stictie nam aanzienlijk toe.”

Door stictie te voorkomen, kwantumlevitatie kan een manier zijn om te voorkomen dat oppervlakken die worden gebruikt in MEMS en nano-elektromechanische systemen (NEMS) tegen elkaar botsen vanwege andere aantrekkelijke van der Waals-krachten die ertussen bestaan. Omdat de dikte van de nanocoating de diëlektrische eigenschappen van de op elkaar inwerkende oppervlakken verandert, onderzoekers zouden precies de juiste dikte moeten bepalen voor een gewenste levitatieafstand. Als de techniek werkt, het kan zorgen voor een broodnodige revitalisering van de velden MEMS en NEMS.

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan hun onderzoek uit te breiden naar andere materialen, zoals zinkoxide en hafnia, die veel worden gebruikt in micro-elektrische en micro-optische apparaten. Ze hebben ook een aanstaande paper (arxiv.org/abs/1206.4852v1) waarin ze de afstotende en aantrekkende krachten onderzoeken tussen aangeslagen cesiumatomen die zijn opgesloten in een nanokanaal, die heel anders zijn dan die in de vrije ruimte.

"Twee Cesium-atomen die dicht bij elkaar en in een aangeslagen toestand zijn, kunnen ongewoon grote moleculen vormen als ze zich tussen twee gouden oppervlakken bevinden, ” verklaarde co-auteur Mathias Bostrom van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Trondheim, Noorwegen, en de Australische Nationale Universiteit in Canberra, Australië. "De effecten van vertraging voor deze interacties in aangeslagen toestand tussen atomen lijken erg op wat we vonden voor de Casimir-Lifshitz-kracht tussen een met goud gecoat silica-oppervlak en een silica-oppervlak in tolueen. Daarom vonden we aantrekkingskracht op lange afstand die de atomen samenbrengt en afstoting op korte afstand die gebonden toestanden mogelijk maakt (voorkomen dat de atomen samen crashen, d.w.z., supergrote moleculen vormen).”

Eindelijk, de onderzoekers zijn van plan om verder te onderzoeken hoe kwantumlevitatie kan worden gebruikt voor NEMS-systemen door te kijken naar anisotrope effecten, dat zijn de verschillende eigenschappen die optreden wanneer parallel of loodrecht op het materiaalinterface.

"Onze collega's in Oslo (professor Clas Persson van de Universiteit van Oslo en zijn team) hebben de werkelijke optische eigenschappen van de materialen (de diëlektrische functie) berekend voor dunne gouden platen die zullen worden gebruikt om te onderzoeken hoe anisotrope effecten NEMS-systemen kunnen beïnvloeden met gouden nanocoatings. Het is aannemelijk dat in dergelijke verbeterde berekeningen het bereik met afstotende krachten (waardoor het systeem niet in elkaar stort) kan worden beïnvloed. Het is ons doel om dit najaar dergelijke berekeningen te maken.”

Copyright 2012 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.