Om verder te gaan, elektronische apparaten van de volgende generatie moeten de nanoschaal volledig benutten, waar materialen slechts miljardsten van een meter overspannen. Maar balanceren complexiteit, precisie, en schaalbaarheid van productie op zulke fantastisch kleine schaal is onvermijdelijk moeilijk. Gelukkig, sommige nanomaterialen kunnen worden overgehaald om zichzelf in gewenste formaties te klikken - een proces dat zelfassemblage wordt genoemd.

Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben zojuist een manier ontwikkeld om de zelfassemblage van meerdere moleculaire patronen in een enkel materiaal te sturen, het produceren van nieuwe architecturen op nanoschaal. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Dit is een belangrijke conceptuele sprong in zelfassemblage, " zei Brookhaven Lab-natuurkundige Aaron Stein, hoofdauteur van het onderzoek. "Vroeger, we waren beperkt tot een enkel opkomend patroon, maar deze techniek doorbreekt die barrière met relatief gemak. Dit is belangrijk voor fundamenteel onderzoek, zeker, maar het kan ook de manier veranderen waarop we elektronica ontwerpen en produceren."

Microchips, bijvoorbeeld, gebruik zorgvuldig gevormde sjablonen om de nanoschaalstructuren te produceren die informatie verwerken en opslaan. Door zelfmontage, echter, deze structuren kunnen zich spontaan vormen zonder die uitputtende voorlopige patronen. En nu, zelfassemblage kan meerdere verschillende patronen genereren, waardoor de complexiteit van nanostructuren die in één stap kunnen worden gevormd, enorm wordt vergroot.

"Deze techniek past vrij gemakkelijk in bestaande workflows voor de fabricage van microchips, " zei co-auteur Kevin Yager, ook een Brookhaven-fysicus. "Het is opwindend om een ​​fundamentele ontdekking te doen die ooit zijn weg naar onze computers zou kunnen vinden."

Het experimentele werk werd volledig uitgevoerd in het Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, gebruik te maken van in-house expertise en instrumentatie.

Georganiseerde complexiteit koken

De samenwerking maakte gebruik van blokcopolymeren - ketens van twee verschillende moleculen die aan elkaar waren gekoppeld - vanwege hun intrinsieke vermogen om zichzelf te assembleren.

"Zo krachtig als zelfassemblage is, we vermoedden dat het begeleiden van het proces het zou verbeteren om echt 'responsieve' zelfassemblage te creëren, " zei studie co-auteur Greg Doerk van Brookhaven. "Dat is precies waar we het hebben geduwd."

Om de zelfmontage te begeleiden, wetenschappers maken nauwkeurige maar eenvoudige substraatsjablonen. Met behulp van een methode die elektronenstraallithografie wordt genoemd - Stein's specialiteit - etsen ze patronen die duizenden keren dunner zijn dan een mensenhaar op het sjabloonoppervlak. Vervolgens voegen ze een oplossing met een set blokcopolymeren toe aan de sjabloon, draai het substraat om een ​​dunne laag te creëren, en "bak" het allemaal in een oven om de moleculen in formatie te schoppen. Thermische energie stimuleert de interactie tussen de blokcopolymeren en de sjabloon, het instellen van de uiteindelijke configuratie - in dit geval, evenwijdige lijnen of punten in een raster.

"Bij conventionele zelfmontage, de uiteindelijke nanostructuren volgen de richtlijnen van de sjabloon, maar zijn van een enkel patroontype, ' zei Stein. 'Maar dat is allemaal veranderd.'

Lijnen en punten, samenleven

De samenwerking had eerder ontdekt dat het mengen van verschillende blokcopolymeren meerdere, naast elkaar bestaande lijn- en punt-nanostructuren te vormen.

"We hadden een opwindend fenomeen ontdekt, maar kon niet selecteren welke morfologie zou ontstaan, " zei Yager. Maar toen ontdekte het team dat het aanpassen van het substraat de structuren veranderde die ontstonden. Door simpelweg de afstand en dikte van de lithografische lijnpatronen aan te passen - gemakkelijk te fabriceren met moderne hulpmiddelen - kunnen de zelfassemblerende blokken lokaal worden omgezet in ultra -dunne lijnen, of high-density arrays van nano-dots.

"We realiseerden ons dat het combineren van onze zelfassemblerende materialen met nanogefabriceerde gidsen ons die ongrijpbare controle gaf. En, natuurlijk, deze nieuwe geometrieën worden bereikt op een ongelooflijk kleine schaal, ' zei Jager.

"In essentie, " zei Steen, "we hebben 'slimme' sjablonen gemaakt voor zelfassemblage van nanomaterialen. Hoe ver we de techniek kunnen pushen, valt nog te bezien, maar het opent een aantal veelbelovende wegen."

Gwen Wright, een andere co-auteur van CFN, toegevoegd, "Many nano-fabrication labs should be able to do this tomorrow with their in-house tools-the trick was discovering it was even possible."

The scientists plan to increase the sophistication of the process, using more complex materials in order to move toward more device-like architectures.

"The ongoing and open collaboration within the CFN made this possible, " said Charles Black, director of the CFN. "We had experts in self-assembly, electron beam lithography, and even electron microscopy to characterize the materials, all under one roof, all pushing the limits of nanoscience."