La luce laser focalizzata genera un "raggio trattore" ottico, " che può manipolare e orientare nanobarre semiconduttori (rosse) con punte metalliche (blu) in una soluzione di solvente organico. L'energia del laser surriscalda la punta metallica della nanobarra intrappolata, consentendo alle nanobarre allineate di essere saldate insieme end-to-end in un processo di "nanosaldatura" basato sulla soluzione. Credito:Vincent Holmberg/Matthew Crane/Elena Pandres/Peter Pauzauskie
La costruzione moderna è uno sforzo di precisione. I costruttori devono utilizzare componenti fabbricati per soddisfare standard specifici, come travi della composizione desiderata o rivetti di dimensioni specifiche. L'industria edile si affida ai produttori per creare questi componenti in modo affidabile e riproducibile al fine di costruire ponti sicuri e grattacieli sani.
Ora immagina la costruzione su una scala più piccola, meno di 1/100 dello spessore di un pezzo di carta. Questa è la nanoscala. È la scala alla quale gli scienziati stanno lavorando per sviluppare tecnologie potenzialmente rivoluzionarie in campi come l'informatica quantistica. È anche una scala in cui i metodi di fabbricazione tradizionali semplicemente non funzioneranno. I nostri strumenti standard, anche miniaturizzato, sono troppo ingombranti e troppo corrosivi per produrre componenti riproducibili su scala nanometrica.
I ricercatori dell'Università di Washington hanno sviluppato un metodo che potrebbe rendere possibile la produzione riproducibile su scala nanometrica. Il team ha adattato una tecnologia basata sulla luce ampiamente utilizzata in biologia, nota come trappole ottiche o pinzette ottiche, per operare in un ambiente liquido privo di acqua di solventi organici ricchi di carbonio, consentendo così nuove potenziali applicazioni.
Come riporta il team in un articolo pubblicato il 30 ottobre sulla rivista Comunicazioni sulla natura , le pinzette ottiche agiscono come un "raggio trattore" basato sulla luce in grado di assemblare materiali semiconduttori su scala nanometrica con precisione in strutture più grandi. A differenza dei raggi traenti della fantascienza, che afferrano astronavi, il team utilizza le pinzette ottiche per intrappolare materiali che sono quasi un miliardo di volte più corti di un metro.
"Questo è un nuovo approccio alla produzione su nanoscala, " ha detto il co-autore senior Peter Pauzauskie, un professore associato UW di scienza e ingegneria dei materiali, membro di facoltà presso il Molecular Engineering &Sciences Institute e l'Institute for Nano-engineered Systems, e uno scienziato senior presso il Pacific Northwest National Laboratory. "Non ci sono superfici della camera coinvolte nel processo di produzione, che riduce al minimo la formazione di deformazioni o altri difetti. Tutti i componenti sono sospesi in soluzione, e possiamo controllare le dimensioni e la forma della nanostruttura mentre viene assemblata pezzo per pezzo".
"L'utilizzo di questa tecnica in un solvente organico ci consente di lavorare con componenti che altrimenti si degraderebbero o si corroderebbero a contatto con acqua o aria, " ha detto il co-autore senior Vincent Holmberg, un assistente professore UW di ingegneria chimica e membro di facoltà presso il Clean Energy Institute e il Molecular Engineering &Sciences Institute. "I solventi organici ci aiutano anche a surriscaldare il materiale con cui stiamo lavorando, permettendoci di controllare le trasformazioni dei materiali e guidare la chimica."
Per dimostrare le potenzialità di questo approccio, i ricercatori hanno utilizzato le pinzette ottiche per costruire una nuova eterostruttura di nanofili, che è un nanofilo costituito da sezioni distinte composte da materiali diversi. I materiali di partenza per l'eterostruttura dei nanofili erano "nanorodi" più corti di germanio cristallino, ciascuno di poche centinaia di nanometri di lunghezza e decine di nanometri di diametro, o circa 5, 000 volte più sottile di un capello umano. Ciascuno è ricoperto da un nanocristallo metallico di bismuto.
I ricercatori hanno quindi utilizzato il "raggio trattore" basato sulla luce per afferrare uno dei nanotubi di germanio. L'energia del raggio surriscalda anche la nanobarra, fondere il tappo di bismuto. Quindi guidano una seconda nanobarra nel "raggio del trattore" e, grazie al cappuccio di bismuto fuso all'estremità, li saldano da un'estremità all'altra. I ricercatori hanno quindi potuto ripetere il processo fino a quando non hanno assemblato un'eterostruttura di nanocavi modellata con giunzioni metallo-semiconduttore ripetute che era da cinque a dieci volte più lunga dei singoli elementi costitutivi.
"Abbiamo iniziato a chiamare questo processo di assemblaggio orientato otticamente "nanosaldatura fotonica", essenzialmente la saldatura di due componenti insieme su scala nanometrica usando la luce, " disse Holmberg.
I nanofili che contengono giunzioni tra materiali, come le giunzioni germanio-bismuto sintetizzate dal team UW, potrebbero eventualmente essere un percorso per la creazione di qubit topologici per applicazioni nell'informatica quantistica.
Il raggio traente è in realtà un laser altamente focalizzato che crea una sorta di trappola ottica, un metodo vincitore del premio Nobel introdotto da Arthur Ashkin negli anni '70. Ad oggi, le trappole ottiche sono state utilizzate quasi esclusivamente in ambienti a base d'acqua o sotto vuoto. I team di Pauzauskie e Holmberg hanno adattato la cattura ottica per lavorare nell'ambiente più volatile dei solventi organici.
"Generare una trappola ottica stabile in qualsiasi tipo di ambiente è un delicato atto di bilanciamento delle forze, e siamo stati fortunati ad avere due studenti laureati di grande talento che lavorano insieme a questo progetto, " disse Holmberg.
I fotoni che compongono il raggio laser generano una forza sugli oggetti nelle immediate vicinanze della trappola ottica. I ricercatori possono regolare le proprietà del laser in modo che la forza generata possa intrappolare o rilasciare un oggetto, sia esso un singolo nanorod di germanio o un nanofilo più lungo.
"Questo è il tipo di precisione necessaria per affidabilità, metodi di nanofabbricazione riproducibili, senza interazioni caotiche con altre superfici o materiali che possono introdurre difetti o deformazioni nei nanomateriali, ", ha detto Pauzauskie.
I ricercatori ritengono che il loro approccio alla nanosaldatura potrebbe consentire la produzione additiva di strutture su nanoscala con diversi set di materiali per altre applicazioni.
"Speriamo che questa dimostrazione porti i ricercatori a utilizzare l'intrappolamento ottico per la manipolazione e l'assemblaggio di una serie più ampia di materiali su scala nanometrica, indipendentemente dal fatto che tali materiali siano compatibili o meno con l'acqua, " disse Holmberg.