Boulder-onderzoekers van de Universiteit van Colorado hebben ultrasnelle extreem-ultraviolette lasers gebruikt om de eigenschappen te meten van materialen die meer dan 100 keer dunner zijn dan die van een menselijke rode bloedcel.

Het team, geleid door wetenschappers van JILA, rapporteerde deze week zijn nieuwe staaltje van flinterdunheid in het tijdschrift Fysiek beoordelingsmateriaal . Het doel van de groep, een film van slechts 5 nanometer dik, is het dunste materiaal dat onderzoekers ooit volledig hebben kunnen onderzoeken, zei studie co-auteur Joshua Knobloch.

"Dit is een recordonderzoek om te zien hoe klein we zouden kunnen gaan en hoe nauwkeurig we zouden kunnen zijn, " zei Knobloch, een afgestudeerde student aan JILA, een samenwerking tussen CU Boulder en het National Institute of Standards and Technology (NIST).

Hij voegde eraan toe dat wanneer dingen klein worden, de normale regels van techniek zijn niet altijd van toepassing. De groep ontdekte, bijvoorbeeld, dat sommige materialen een stuk zachter lijken te worden naarmate ze dunner worden.

De onderzoekers hopen dat hun bevindingen wetenschappers op een dag kunnen helpen om beter door de vaak onvoorspelbare nanowereld te navigeren, het ontwerpen van kleinere en efficiëntere computercircuits, halfgeleiders en andere technologieën.

"Als je aan nano-engineering doet, je kunt je materiaal niet zomaar behandelen alsof het een normaal groot materiaal is, " zei Travis Frazer, hoofdauteur van het nieuwe artikel en een voormalig afgestudeerde student aan JILA. "Vanwege het simpele feit dat het klein is, het gedraagt ​​zich als een ander materiaal."

"Deze verrassende ontdekking - dat zeer dunne materialen 10 keer kwetsbaarder kunnen zijn dan verwacht - is nog een ander voorbeeld van hoe nieuwe hulpmiddelen ons kunnen helpen de nanowereld beter te begrijpen, " zei Margaret Murnane, een co-auteur van het nieuwe onderzoek, hoogleraar natuurkunde aan CU Boulder en JILA fellow.

Nano wiebelt

Het onderzoek komt op een moment dat veel technologiebedrijven precies dat proberen te doen:klein gaan. Sommige bedrijven experimenteren met manieren om efficiënte computerchips te bouwen die dunne laagjes materiaal op elkaar leggen, zoals een filodeeg, maar in je laptop.

Het probleem met die benadering, Frazer zei, is dat wetenschappers moeite hebben om te voorspellen hoe die schilferige lagen zich zullen gedragen. Ze zijn gewoon te delicaat om op een zinvolle manier te meten met de gebruikelijke hulpmiddelen.

Om dat doel te helpen, hij en zijn collega's zetten extreem-ultraviolette lasers in, of stralingsbundels die kortere golflengten leveren dan traditionele lasers - golflengten die goed zijn afgestemd op de nanowereld. De onderzoekers ontwikkelden een opstelling waarmee ze die stralen kunnen weerkaatsen van lagen materiaal van slechts een paar strengen DNA dik, het volgen van de verschillende manieren waarop die films kunnen trillen.

"Als je kunt meten hoe snel je materiaal wiebelt, dan kun je erachter komen hoe stijf het is, ' zei Frazer.

Atoomverstoring

De methode heeft ook onthuld hoeveel de eigenschappen van materialen kunnen veranderen als je ze heel, heel klein.

In de meest recente studie, bijvoorbeeld, de onderzoekers onderzochten de relatieve sterkte van twee films gemaakt van siliciumcarbide:een van ongeveer 46 nanometer dik, en de andere slechts 5 nanometer dik. De ultraviolette laser van het team leverde verrassende resultaten op. De dunnere film was ongeveer 10 keer zachter, of minder stijf, dan zijn dikkere tegenhanger, iets wat de onderzoekers niet hadden verwacht.

Frazer legde uit dat, als je een film te dun maakt, je kunt in de atomaire bindingen snijden die een materiaal bij elkaar houden - een beetje zoals het ontrafelen van een gerafeld touw.

"De atomen aan de bovenkant van de film hebben andere atomen eronder die ze kunnen vasthouden, ' zei Frazer. 'Maar boven hen, de atomen hebben niets waar ze zich aan kunnen vastgrijpen."

Maar niet alle materialen zullen zich op dezelfde manier gedragen, hij voegde toe. Het team voerde hetzelfde experiment ook opnieuw uit op een tweede materiaal dat bijna identiek was aan het eerste, met één groot verschil:aan deze waren veel meer waterstofatomen toegevoegd. Een dergelijk "doping"-proces kan de atomaire bindingen in een materiaal op natuurlijke wijze verstoren, waardoor het kracht verliest.

Toen de groep die tweede testte, flimsier materiaal met behulp van hun lasers, ze vonden iets nieuws:dit materiaal was bij een dikte van 44 nanometer net zo sterk als bij een magere 11 nanometer dik.

Anders gezegd, de extra waterstofatomen hadden het materiaal al verzwakt - een beetje extra krimpen kon geen schade meer aanrichten.

Uiteindelijk, het team zegt dat zijn nieuwe ultraviolette lasertool wetenschappers een venster geeft in een rijk dat voorheen buiten het bereik van de wetenschap lag.

"Nu mensen erg bouwen, zeer kleine apparaten, ze vragen hoe eigenschappen zoals dikte of vorm het gedrag van hun materialen kunnen veranderen, "Zei Knobloch. "Dit geeft ons een nieuwe manier om toegang te krijgen tot informatie over technologie op nanoschaal."

Dit onderzoek werd ondersteund door het STROBE National Science Foundation Science and Technology Center on Real-Time Functional Imaging.