Het vermogen om materialen op atomair niveau te repliceren heeft veel aandacht getrokken van materiaalwetenschappers. Echter, de huidige technologie wordt beperkt door een aantal factoren. Udo Schwarz, hoogleraar werktuigbouwkunde &materiaalkunde en afdelingsvoorzitter, heeft onlangs twee papers over onderzoek gepubliceerd die de mogelijkheden binnen dit opkomende gebied aanzienlijk zouden kunnen openen. Zijn methoden omvatten een proces dat de kenmerken van een oppervlak kan repliceren tot details van minder dan een 10 miljardste van een meter, of minder 1/20e van de diameter van een atoom.

Oppervlakken met nanostructuur en nanopatronen zijn een integraal onderdeel van veel nanotechnologische toepassingen. Eenvoudig in gebruik en zuinig, de methode van nano-imprinting heeft een groot potentieel voor toepassingen zoals gegevensopslag met hoge dichtheid, fotonische apparaten, hologrammen, bio-nanofluïdische chips, water filtratie, en elektroden in brandstofcellen. Echter, de precisie van replicatie is in de meeste materialen beperkt vanwege de atomaire structuren van die materialen.

In APL-materialen, Schwarz laat zien dat bij het werken met metalen glazen, er is vrijwel geen limiet aan de nauwkeurigheid die u kunt hebben bij het repliceren van oppervlaktekenmerken. In feite, het precisieniveau reikt tot op subatomair niveau. De sleutel is de atomaire structuur van de materialen. In tegenstelling tot kristallijne materialen, die atomen hebben die specifiek zijn gerangschikt, atomen in glazen zijn gerangschikt zonder beperkende periodieke ordeprincipes.

"Kristalen willen atomen altijd op specifieke plaatsen plaatsen, en als je mal daar niet bij past, je hebt geen geluk, ' zei Schwarz.

Maar metalen glazen hebben niet zulke strak gerangschikte atomen, zodat ze zich kunnen aanpassen aan waar ze nodig zijn. Door het glas te verwarmen, de onderzoekers waren in staat om de interne cohesie van het materiaal net genoeg te verzwakken om de atomen in staat te stellen te bewegen hoe dan ook met bijna perfecte nauwkeurigheid.

"Voor de eerste keer, we hebben aangetoond dat elke structuur die je hebt, je kunt het repliceren - het metalen glas zal er correct aan voldoen, "zei hij. "Je kunt dat doen met praktisch geen limiet in nauwkeurigheid."

Dat betekent dat ze een ideaal platform kunnen bieden voor het bevorderen van onderzoek in de fundamentele studie van structuur, vervorming, en faseovergangen van glazen, evenals het mogelijk maken van nieuwe toepassingen in velden die gebruik maken van oppervlaktefunctionalisering door topografie.

Co-auteurs van de APL-materialen papier, die het tijdschrift promoot als een "Featured Article, " zijn Chao Zhou, Amit Datye, Zheng Chen, Georg H. Simon, Xinzhe Wang, en Jan Schroers.

In een tweede paper, in ACS toegepaste materialen en interfaces, Schwarz kijkt ook naar nanofabricage van metalen bulkglazen, maar met een andere aanpak.

Voor dat onderzoek die een "Editor's Choice"-aanduiding kreeg van het tijdschrift, Schwarz ontwikkelde een methode gebaseerd op magnetron sputteren. Bij magneton sputteren, gas ionen, typisch argon, raken een "doelwit" en werpen doelatomen in het proces uit. De uitgestoten atomen reizen vervolgens door vacuüm om uiteindelijk een substraat te bereiken waarop ze een film vormen. Vanwege het brede scala aan legeringen die als doelen kunnen worden gebruikt en de grote substraatoppervlakken die kunnen worden bedekt, de methode biedt onderzoekers een grote gereedschapskist voor het selecteren van een gewenste oppervlaktechemie, terwijl ze extreem veelzijdig is in termen van grootte, vorm, en de aard van het oppervlaktepatroon en van de mallen die gebruikt kunnen worden. Schwarz zei dat het replicatie op atomaire schaal effectief zou kunnen verheffen van een "wetenschappelijke nieuwsgierigheid" tot een veelgebruikt hulpmiddel voor nanofabricage.

Tijdens het replicatieproces, de hoge mate van nauwkeurigheid is mede gebaseerd op de sputtertechniek, maar ook beslissend op het feit dat de doellegeringen die worden gebruikt om de films te sputteren niet kristalliseren. Daarom, er zijn geen dimensionale beperkingen van films die proberen kristallijne orde te vestigen.

"Het laat zien dat we oppervlaktestructuren op grote schaal tot sub-angstrom [minder dan een 10 miljardste van een meter] kunnen repliceren, en dat dit de weg kan openen om deze materialen op grote schaal te gebruiken voor de productie van echte werkstukken en tegen betaalbare prijzen, " hij zei.

Aangezien er slechts schaarse hoeveelheden materiaal nodig zijn, de nieuwe aanpak is economisch. Het is ook van toepassing op een breed scala aan legeringen, flexibel in het soort mallen dat het kan repliceren, en kan eenvoudig worden opgeschaald. Mogelijke toepassingen van deze nieuwe aanpak zijn de ontwikkeling van nanodraden en nanobuisjes voor nano-elektronische toepassingen.