Fin dall'inizio della civiltà, gli umani hanno sfruttato nuovi materiali per migliorare la propria vita, dall'età della pietra preistorica, Età del bronzo, e dall'età del ferro alla moderna età del silicio. Con ogni periodo sono arrivate scoperte tecnologiche che hanno trasformato il nostro modo di vivere. Considera l'invenzione del 1961 del chip di silicio, che ha aperto la strada alla rivoluzione digitale. Senza questo minuscolo componente elettronico, non avremmo laptop o telefoni cellulari.

Affrontare le sfide odierne richiederà analogamente progressi materiali. Per esempio, come possiamo realizzare pannelli solari che convertono la luce solare in elettricità in modo più efficiente? Batterie che durano di più? Dispositivi elettronici sempre più piccoli? Gli scienziati stanno cercando soluzioni a queste stesse domande attraverso la scienza e l'ingegneria dei materiali. Stanno migliorando le prestazioni dei materiali esistenti e creando materiali nuovi di zecca con proprietà ineguagliabili.

Nell'ultimo decennio, gli scienziati del Center for Functional Nanomaterials (CFN) del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) si sono affermati come leader in questo settore. In particolare, stanno sviluppando un nuovo metodo per produrre materiali:la sintesi per infiltrazione.

Come suggerisce il nome, la sintesi per infiltrazione comporta l'infiltrazione, o infondere, un materiale in un altro. Infondendo un materiale inorganico (non contenente carbonio) in un materiale organico (contenente carbonio), si può generare un materiale "ibrido" con proprietà non viste in nessuno dei componenti di partenza. Le specie organiche potrebbero essere film sottili di polimeri, polimeri modellati in una particolare forma geometrica utilizzando una sorgente luminosa o un fascio di elettroni (tecnica nota come litografia), polimeri autoassemblati da due o più "blocchi" chimicamente distinti (copolimero a blocchi), o anche strutture di DNA autoassemblate. L'infiltrazione si verifica quando la matrice organica è esposta a gas contenenti inorganici o precursori liquidi (materiali di partenza) in ordine alternato.

Posizionando il materiale ibrido sotto plasma di ossigeno (un gas caricato elettricamente) o in un ambiente di ossigeno ad alta temperatura, gli scienziati possono anche rimuovere selettivamente il componente organico. La parte inorganica rimane indietro ed eredita il modello organico del "modello", utile per creare nanostrutture inorganiche e integrarle in dispositivi elettronici.

"Gli approcci convenzionali basati sulla chimica pura come la sintesi chimica sono complessi, " ha spiegato Chang-Yong Nam, uno scienziato del CFN Electronic Nanomaterials Group che sta conducendo la ricerca sulla sintesi dell'infiltrazione. "Non c'è alcuna garanzia che ti ritroverai con le proprietà che hai scelto di mirare. E la creazione di funzionalità molto piccole, che sono importanti per realizzare dispositivi elettronici, è difficile. La sintesi di infiltrazione risolve questi problemi, e gli strumenti necessari sono prontamente disponibili in qualsiasi struttura di nanofabbricazione".

nome, colleghi CFN, e collaboratori esterni hanno dimostrato come la sintesi per infiltrazione possa essere utilizzata per creare una miriade di nuovi materiali funzionali, consentendo un'ampia varietà di applicazioni.

Nel 2015, hanno usato la sintesi per infiltrazione e la litografia per modellare nanofili inorganici, strutture a forma di filo con una larghezza dell'ordine di miliardesimi di metro, in un transistor. Questo studio è stato il primo a dimostrare che la tecnica potrebbe essere utilizzata per modellare un dispositivo elettronico. Estendendo questo concetto iniziale, hanno realizzato matrici di nanofili perfettamente allineati in fotorivelatori altamente sensibili di luce ultravioletta (UV). Per aumentare ulteriormente la sensibilità, hanno convertito modelli di copolimero a blocchi impilati autoassemblanti in un'architettura "nanomesh" 3D. L'ampia superficie e i pori consentiti da questa geometria a strati 3D hanno consentito il posizionamento di molti altri elementi di rilevamento a nanofili.

Questa combinazione di autoassemblaggio di copolimero a blocchi e sintesi di infiltrazione ha anche consentito varie innovazioni da parte di altri gruppi di ricerca presso il CFN. Per esempio, un team ha utilizzato la tecnica per strutturare la superficie delle celle solari in silicio con nanostrutture a forma di cono. Strutture minuscole simili coprono gli occhi delle falene per prevenire il riflesso della luce, e gli scienziati hanno dimostrato questo effetto antiriflesso nelle celle solari nanostrutturate, così come su superfici di "vetro invisibile". Quando la luce colpisce una cella solare, vuoi ridurre al minimo la riflessione (o in alternativa, massimizzare l'assorbimento) in modo che l'energia solare possa essere convertita in modo efficiente in energia elettrica. E per gli schermi dei computer, telefono cellulare, e altri dispositivi elettronici, si desidera eliminare il riflesso della luce per evitare l'abbagliamento.

A seguito di questi studi sui materiali inorganici, gli scienziati hanno iniziato a esplorare le proprietà dei materiali ibridi organico-inorganici anch'essi generati dalla sintesi per infiltrazione. Per esempio, hanno creato "nanopillar" ibridi che esibiscono sia l'elevata resistenza di un metallo che la bassa rigidità della schiuma. Con questa rara combinazione di proprietà meccaniche, il materiale può immagazzinare e rilasciare una quantità senza precedenti di energia elastica, rendendolo utile per dispositivi che richiedono molle ultrapiccole, leve, o motori, come accelerometri, risonatori, e muscoli artificiali biosintetici.

Gli scienziati hanno anche mostrato come gli ibridi possono fungere da rivestimenti ottici che riflettono specifiche lunghezze d'onda della luce; sensori di ossigeno e acqua altamente sensibili; fotoresist per il trasferimento di caratteristiche ultrapiccole nel silicio per la microelettronica di nuova generazione; rivestimenti a tutto tondo su singole nanoparticelle per l'etichettatura e il monitoraggio delle cellule nell'imaging biologico; e agenti di contrasto per visualizzare la complessa geometria dei copolimeri a blocchi 3D.

"La cosa sorprendente della sintesi per infiltrazione è la sintonizzabilità, "ha detto Kevin Yager, leader del gruppo CFN Electronic Nanomaterials. "Puoi comporre in modo molto preciso le proprietà del materiale desiderate selezionando il giusto infiltrante e il giusto livello di carico. Ciò ti consente di indirizzare un'enorme varietà di applicazioni e di ottimizzare il materiale per ogni attività specifica."

Più recentemente, gli scienziati hanno studiato l'idoneità dei loro resist ibridi per la litografia UV estrema (EUV). Le aziende di tecnologia dei semiconduttori stanno utilizzando questa tecnica emergente per ridurre i transistor, gli elementi costitutivi dei componenti elettronici come le unità di elaborazione centrale (CPU) e la memoria ad accesso casuale (RAM), al di sotto dei cinque nanometri. La riduzione delle dimensioni delle caratteristiche consentirà la fabbricazione di dispositivi elettronici con maggiori velocità di elaborazione e minor consumo energetico. Nonostante la promessa della litografia EUV, restano diverse sfide, compresa la necessità di resistenze ad alta sensibilità.

"La litografia EUV richiede resist in grado di assorbire un'elevata quantità di luce EUV, e i materiali organici in genere mancano di questa capacità, " ha spiegato Nam. "L'infiltrazione di una specie inorganica nella componente organica può migliorare l'assorbimento".

Sebbene molti gruppi stiano sviluppando tecnologie di resistenza, manca una comprensione di livello fondamentale della chimica di infiltrazione e del processo di esposizione all'EUV nei resist. Nam e il suo team hanno iniziato a studiare questo meccanismo nei loro resist ibridi attraverso litografia a fascio di elettroni e microscopia elettronica a bassa energia al CFN e spettroscopia di diffusione e assorbimento di raggi X presso le interfacce Soft Matter (SMI) e la spettroscopia Soft and Tender (STT ) linee di luce della National Synchrotron Light Source II di Brookhaven. They are also exploring the EUV exposure characteristics and patterning performance of the hybrid resists at the Microfield Exposure Tool (MET) beamline—a private EUV beamline sponsored by leading semiconductor companies, including Intel Corporation and Samsung Electronics—of Lawrence Berkeley National Lab's Advanced Light Source. Their preliminary results provided important feedback on how to optimize the infiltration chemistry and method for enhanced EUV sensitivity.

The team is also making a hybrid-based neuromorphic switching device, which models the way the brain computes and transmits information. In initial demonstrations, their hybrid structure showed potential in mimicking the action of brain synapses, or the connections between neurons. They also found that the hybridization significantly reduced device-to-device performance variability, which is critical for creating practical, large-scale neuromorphic device arrays. Such brain-inspired computing would offer significant leaps in energy efficiency and processing speed for artificial intelligence tasks such as learning, searching, and sensing.

"Moving forward, there's still a lot we can do with infiltration synthesis, " said Nam. "We're excited to continue exploring its diverse applications for next-generation micro- and nanoelectronics and energy technologies, with the hope of contributing to the transformation of our future society."