Het gebruik van mallen om dingen vorm te geven is zo oud als de mensheid. In de bronstijd, de koper-tinlegering werd gesmolten en in keramische mallen tot wapens gegoten. Vandaag, spuitgieten en extrusie vormen hete vloeistoffen in alles, van auto-onderdelen tot speelgoed.

Om dit te laten werken, de mal moet stabiel zijn terwijl het hete vloeibare materiaal in vorm uithardt. In een doorbraak voor nanowetenschap, Cornell-polymeeringenieurs hebben zo'n mal gemaakt voor nanostructuren die vloeibaar silicium uit een organisch polymeermateriaal kunnen vormen. Dit maakt de weg vrij voor perfecte, 3D, eenkristal nanostructuren.

Het voorschot komt uit het lab van Uli Wiesner, de Spencer T. Olin hoogleraar Engineering bij de afdeling Materials Science and Engineering, wiens lab eerder heeft geleid tot de creatie van nieuwe materialen gemaakt van organische polymeren. Met de juiste chemie organische polymeren zelf-assembleren, en de onderzoekers gebruikten dit speciale vermogen van polymeren om een ​​mal te maken die bezaaid was met nauwkeurig gevormde en gedimensioneerde nanoporiën.

Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap 3 juli.

Normaal gesproken, smeltend amorf silicium, met een smelttemperatuur van ongeveer 2, 350 graden, zou de delicate polymeervorm vernietigen, die degradeert bij ongeveer 600 graden. Maar de wetenschappers, in samenwerking met Michael Thompson, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, heeft dit probleem omzeild door extreem korte smeltperioden te gebruiken die door een laser worden geïnduceerd.

De onderzoekers ontdekten dat de polymeervorm standhoudt als het silicium wordt verwarmd door laserpulsen van slechts nanoseconden lang. Op zulke korte tijdschalen, silicium kan worden verwarmd tot een vloeistof, maar de smeltduur is zo kort dat het polymeer geen tijd heeft om te oxideren en te ontleden. Ze hebben de polymeervorm in wezen misleid om zijn vorm te behouden bij temperaturen boven het ontledingspunt.

Toen de mal was weggeëtst, de onderzoekers toonden aan dat het silicium perfect gevormd was door de mal. Dit kan leiden tot perfect maken, monokristallijne silicium nanostructuren. Ze hebben het nog niet gedaan, maar hun Wetenschap papier laat zien dat het kan. In werk gepubliceerd in 2010, Wiesner en collega's toonden de weg voor dit proces, met behulp van een oxidevorm.

Wiesner noemde de doorbraak "mooi" en een mogelijk fundamenteel inzicht in het bestuderen van materialen op nanoschaal. In de materiaalkunde, het doel is altijd om goed gedefinieerde structuren te krijgen die kunnen worden bestudeerd zonder interferentie van materiaaldefecten.

De meeste zelf-geassembleerde nanostructuren zijn tegenwoordig ofwel amorf of polykristallijn - ze bestaan ​​uit meer dan één stuk materiaal met een perfecte orde. Het is moeilijk te beoordelen of hun eigenschappen te wijten zijn aan de nanostructuur zelf of dat ze worden gedomineerd door defecten in het materiaal.

De ontdekking van monokristallijn silicium - de halfgeleider in elke geïntegreerde schakeling - maakte de elektronicarevolutie mogelijk. Om de halfgeleidende eigenschappen van silicium echt te begrijpen, moesten enkele kristallen in wafels worden gesneden. Vandaag, nanotechnologie maakt ongelooflijk gedetailleerd etsen op nanoschaal mogelijk, tot 10 nanometer op een siliciumwafel.

Maar nanofabricagetechnieken zoals fotolithografie, waarin een polymeer materiaal is geschreven met een structuur die in het silicium is geëtst, raakt zijn grenzen als het gaat om 3D-structuren.

Halfgeleiders zoals silicium assembleren zichzelf niet tot perfect geordende structuren zoals polymeren. Het is bijna ongehoord om een ​​3D-gestructureerd eenkristal van een halfgeleider te krijgen. Om monokristallijne nanostructuren te maken, er zijn twee opties:meervoudig etsen of gieten. De groep van Wiesner heeft nu de mal gemaakt.

De manier waarop ze de mal maakten, was op zich al een doorbraak. Ze hadden eerder geleerd om zeer geordend zelf te assembleren, poreuze nanomaterialen met behulp van speciaal gestructureerde moleculen die blokcopolymeren worden genoemd.

Ze gebruikten eerst een koolstofdioxidelaser in het laboratorium van Thompson om de nanoporeuze materialen op een siliciumwafel te "schrijven". Een film, spin-coating op de wafel, bevatte een blokcopolymeer, die de assemblage van een polymeerhars leidde. Met de laser lijnen in de film schrijven, het blokcopolymeer ontleed, gedraagt ​​zich als een weerstand met een positieve toon, terwijl de negatief-tint hars werd achtergelaten om de poreuze nanostructuur te vormen. Dat werd de mal.

"We hebben aangetoond dat we organische sjablonen kunnen gebruiken met structuren die zo ingewikkeld zijn als een gyroide, een periodiek geordende kubische netwerkstructuur, en 'druk' het op gesmolten silicium, dat vervolgens verandert in kristallijn silicium, ' zei Wiesner.

"Het vermogen hebben om het werkpaard van alle elektronica te vormen, silicium, in ingewikkelde vormen is ongekend, " zei Andy Lover, een programmadirecteur in de afdeling materiaalonderzoek van de National Science Foundation, die het onderzoek van Wiesner financierde. "Dit prachtige werk laat zien hoe het kan worden gedaan door gebruik te maken van de unieke ontwerpeigenschappen die worden geboden door polymere materialen."

Het papier heet "Voorbijgaande laserverwarming-geïnduceerde hiërarchische poreuze structuren van blokcopolymeer gerichte zelfassemblage, " en de eerste auteur is Kwan Wee Tan, een voormalig afgestudeerde student in het Wiesner Lab.