Hybride, multifunctionele nanostructuren met diverse 3D-vormen en complexe materiaalsamenstelling kunnen nu worden vervaardigd met een nauwkeurige en efficiënte fabricagetechniek.

De realisatie van nanomachines komt steeds dichter bij de realiteit. Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart helpen een van de grote uitdagingen van nanowetenschap werkelijkheid te maken. Zij hebben een methode ontwikkeld die het mogelijk maakt een assortiment van ongebruikelijk gevormde en functionaliseerbare nanostructuren te vervaardigen. Het laat ze materialen combineren met sterk uiteenlopende chemische en fysische eigenschappen op de kleinste schaal. Het team van wetenschappers onder leiding van Peer Fischer heeft zelfs spiraalvormige lichtantennes ontwikkeld die minder dan 100 nm lang zijn van materialen die doorgaans niet op nanoschaal kunnen worden gevormd. Dit wordt bereikt door het materiaal op te dampen op een supergekoelde roterende schijf. Het proces maakt niet alleen de fabricage van nanostructuren nauwkeuriger mogelijk dan eerdere methoden, enkele miljarden van dergelijke nanodeeltjes kunnen op een snelle manier parallel worden geproduceerd.

Verschillende van de voorgestelde ideeën over wat nanotechnologie zou kunnen bereiken, zijn nogal gedurfd:minuscule robots kunnen medicijnen in het menselijk lichaam transporteren naar brandpunten van ziekten of klein genoeg zijn om in een menselijke cel te werken. Het zou mogelijk kunnen zijn dat nanomotoren fungeren als licht- of toxinesensoren op lengteschalen die 2.000 keer kleiner zijn dan de dikte van een mensenhaar. Informatie zou in opslagapparaten kunnen worden verpakt met dichtheden die vele malen hoger zijn dan wat haalbaar is met de huidige technologie. Onderzoek naar het realiseren van een aantal van deze doelen is al heel dichtbij. Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van Peer Fischer, Leider van een onderzoeksgroep bij het Max Planck Institute for Intelligent Systems, nog dichterbij is gekomen. "We hebben een veelzijdige, nauwkeurig, en efficiënt proces waarmee driedimensionale nanostructuren op maat kunnen worden vervaardigd uit verschillende materialen", zegt Peer Fischer. "Tot nu toe, structuren van minder dan 100 nanometer konden alleen in zeer symmetrische, voornamelijk bolvormige of cilindrische vormen."

Met hun nieuwe methode kunnen de onderzoekers nu hybride nanoscopische haken maken, schroeven, en zigzagstructuren door materialen met zeer uiteenlopende fysische eigenschappen te verwerken – metalen, halfgeleiders, magnetische materialen, en isolatoren. Als voorbeeld van de mogelijke toepassingen, de onderzoekers maakten helices van goud die geschikt zijn als nanoantennes voor licht. De kleur van het licht dat de antennes absorberen, kan worden gecontroleerd door hun vorm en materiaalsamenstelling. Met hen, circulair gepolariseerd licht kan bijvoorbeeld worden gefilterd, een proces dat wordt gebruikt in projectoren voor 3D-films. Ook, het oscillatievlak van een elektromagnetische golf - wat gepolariseerd licht is - wordt met de klok mee of tegen de klok in gedraaid, afhankelijk van de rotatiezin van de metalen nanohelix. Het effect is orden van grootte groter per helix dan wat wordt waargenomen bij natuurlijk voorkomende materialen.

Nanostructuren van een dampstroom op gouden nanodot-eilanden

Exacte controle over de vorm en structuur van de nanocomponenten werd bereikt door de onderzoekers in Stuttgart door middel van hun elegante methode, die in ongeveer een uur enkele honderden miljarden kopieën van een complexe structuur kan produceren. Met behulp van micellaire nanolithografie, die al jaren beschikbaar is, ze plaatsen eerst miljarden regelmatig gerangschikte nanodeeltjes van goud op het oppervlak van een silicium- of glaswafel. Ze deponeren gouddeeltjes bedekt met een polymeer omhulsel op het substraat, die zich vervolgens in een dicht opeengepakte, regelmatig patroon. Na het verwijderen van de polymeerschaal met een plasma, de gouden stippen blijven achter gebonden aan het substraat. De wetenschappers plaatsen vervolgens de voorgevormde wafel in wat in wezen een stroom metaaldamp is, onder een hoek die schuin genoeg is zodat de metaalatomen alleen de kleine gouden eilanden kunnen zien en zich alleen op die punten kunnen afzetten. Dus, ze groeien snel uit tot nanostructuren die afmetingen tot 20 nm kunnen hebben.

Als de onderzoekers het substraat langzaam roteren tijdens de dampafzetting, de staven winden in een helix. Als ze het substraat abrupt draaien, een zigzagvorm ontstaat. Als het materiaal dat tijdens het proces in de kamer wordt verdampt, wordt gewijzigd, een composietmateriaal, zoals een metaallegering, is gevormd. En uiteraard, al deze handige trucs kunnen worden gecombineerd. Bijvoorbeeld, ze bevestigden koperen haken aan aluminiumoxidestaven met behulp van een dunne laag titanium om de twee materialen aan elkaar te hechten.

Het cruciale idee:koeling met vloeibare stikstof

"Grotere constructies worden al een tijdje op vergelijkbare wijze geproduceerd", legt Andrew G. Mark uit, een Max Planck-onderzoeker die een belangrijke rol speelde bij de ontwikkeling van de methode. "Tot nu toe, deze methode kon niet worden overgedragen naar nanostructuren, echter." Dit komt omdat de hete, mobiele atomen die uit de damp worden afgezet, rangschikken zich snel op het oppervlak in een bol vanwege energie-overwegingen. "Daarom kwamen we op het idee om het substraat met vloeibare stikstof te koelen tot zo'n min 200 graden Celsius, die door de substraathouder stroomt, zodat een atoom snel wordt bevroren en op zijn plaats wordt gefixeerd zodra het op de top van het groeiende nanobody terechtkomt", zegt John G. Gibbs, die eveneens een belangrijke bijdrage leverden aan het werk aan het Max Planck Institute for Intelligent Systems.

Ondanks de veelzijdigheid van de methode, niet alle vormen kunnen ermee gemaakt worden. "Omdat de structuur altijd weggroeit van de wafel, geen ringen, gesloten driehoeken of vierkanten kunnen vormen", zegt Fischer. "We zijn niet in staat om een ​​Eifeltoren op nanoschaal te bouwen." Hoe dan ook, er staan ​​hem en zijn team veel mogelijkheden open. "Ons doel op lange termijn is om nanomachines te bouwen", zegt Peer Fischer. "De natuur bouwt motoren op een schaal van zo'n 20 nanometer. Aan deze motoren willen we graag onze componenten koppelen." Dan is het mogelijk dat veel van de dromen van nanoonderzoekers werkelijkheid worden.