Additieve productietechnieken met atomaire precisie zouden ooit materialen kunnen creëren met Lego's flexibiliteit en Terminator-taaiheid, volgens onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy.

In een overzichtsartikel gepubliceerd in ACS Nano , Olga Ovchinnikova en collega's geven een overzicht van bestaande paden naar 3D-materialen, maar het uiteindelijke doel is om materiaal op atomaire schaal te creëren en aan te passen. Materiaal zou atoom voor atoom worden geassembleerd, net zoals kinderen Lego kunnen gebruiken om steen voor steen een auto of kasteel te bouwen. Dit begrip, bekend als gerichte materie, zou kunnen leiden tot vrijwel perfecte materialen en producten omdat veel beperkingen van conventionele fabricagetechnieken zouden worden geëlimineerd.

"Door materie atoom voor atoom in 3D te assembleren, kunnen we materialen ontwerpen die sterker en lichter zijn, robuuster in extreme omgevingen en bieden economische oplossingen voor energie, scheikunde en informatica, ' zei Ovchinnikova.

Fundamenteel, gerichte materie elimineert de noodzaak om ongewenst materiaal door lithografie te verwijderen, etsen of andere traditionele methoden. Deze processen hebben de samenleving goed gediend, onderzoekers merkten op, maar de volgende generatie materialen en producten vraagt ​​om een ​​nieuwe aanpak.

"Voor de overgrote meerderheid van de opgetekende geschiedenis, materiële transformatie was beperkt tot objecten die zichtbaar zijn voor het blote oog en gemodelleerd met handgereedschap, " schreven de onderzoekers. "We kunnen de bekwaamheid van het schrijven van rijstkorrels bewonderen, of fijne gravure op een gewaardeerd zwaardblad, maar slechts twee tot drie orden van grootte scheiden deze meesterwerken van technologie uit het stenen tijdperk."

Nutsvoorzieningen, met het vermogen om materie met atomaire precisie te sturen, de uitbetaling kan kwantumcomputers zijn, mobiele telefoons met meer gegevensopslag en langere intervallen tussen opladen, hogere efficiëntie zonnecellen, en sterkere en goedkopere lichtgewicht materialen.

"Het is eigenlijk moeilijk te voorspellen waar dit heen zou kunnen gaan en hoe deze technologie ons leven zou kunnen veranderen, maar we zijn van plan om erachter te komen, ' zei Ovchinnikova.

Door gebruik te maken van berekeningen en modellen, onderzoekers kunnen precies bedenken, voorspellen, elektrische en andere eigenschappen van een materiaal creëren en controleren in plaats van compromissen te sluiten. Hoofdauteur Stephen Jesse merkte op dat de benadering van gerichte materie voortbouwt op tientallen jaren van onderzoek en gebruikmaakt van instrumenten die oorspronkelijk waren ontworpen om materialen te onderzoeken om nieuwe te fabriceren met een resolutie van minder dan 10 nanometer (10 miljardste van een meter).

Bijvoorbeeld, de transmissie-elektronenmicroscoop, ontwikkeld in de jaren dertig, heeft beeldvorming met één atoom mogelijk gemaakt, chemische stambeeldvorming en structurele mapping op picometerniveau. Sinds haar oprichting, echter, de interactie van de straalmaterie moest worden beheerd om "straalschade, "een belemmering voor fundamentele studies, aldus de onderzoekers.

"Echter, deze interactie, gecombineerd met beeldvorming van elektronen- en recentelijk ionenmicroscopie kan worden gebruikt als basis voor een volgende generatie nanofabricagetools, ' zei Jesse.

Het artikel biedt samenvattingen van verschillende andere alternatieven voor atomair nauwkeurige fabricage van 3D-materialen op basis van elektronen- en ionenstralen, inclusief gefocusseerde elektronenbundel-geïnduceerde verwerking van gasprecursoren en vloeibare precursors.