Gli scienziati del California Institute of Technology hanno scoperto il meccanismo fisico mediante il quale è possibile coltivare matrici di pilastri su nanoscala su pellicole polimeriche con altissima precisione, in schemi potenzialmente illimitati.

Questo processo nanofluidico, sviluppato da Sandra Troian, professore di fisica applicata, aeronautica, e ingegneria meccanica al Caltech, e descritto in un recente articolo sulla rivista Lettere di revisione fisica - potrebbe un giorno sostituire le tecniche di modellazione litografica convenzionali ora utilizzate per costruire strutture tridimensionali su nano e microscala per l'uso in ottica, fotonico, e dispositivi biofluidici.

La fabbricazione di alta risoluzione, i nanoarray di grandi dimensioni si basano in larga misura sulle tecniche di modellazione fotolitografica convenzionali, che comportano trattamenti che utilizzano luce ultravioletta e sostanze chimiche aggressive che dissolvono e intaccano alternativamente wafer di silicio e altri materiali. La fotolitografia viene utilizzata per fabbricare circuiti integrati e dispositivi microelettromeccanici, Per esempio.

Però, i ripetuti cicli di dissoluzione e attacco provocano una notevole quantità di rugosità superficiale nelle nanostrutture, limitando infine le loro prestazioni.

"Questo processo è anche intrinsecamente bidimensionale, e quindi le strutture tridimensionali devono essere modellate strato per strato, "dice Troiano.

Nel tentativo di ridurre i costi, tempo di elaborazione, e ruvidezza, i ricercatori hanno esplorato tecniche alternative in base alle quali i film fusi possono essere modellati e solidificati in situ, e in un unico passaggio.

Circa un decennio fa, gruppi in Germania, Cina, e gli Stati Uniti hanno riscontrato un fenomeno bizzarro durante l'utilizzo di tecniche che comportano gradienti termici. Quando i nanofilm di polimeri fusi sono stati inseriti all'interno di uno spazio sottile che separa due wafer di silicio mantenuti a temperature diverse, schiere di pilastri su scala nanometrica si sono sviluppate spontaneamente.

Queste sporgenze crebbero fino a raggiungere il wafer superiore; i pilastri risultanti erano in genere alti diverse centinaia di nanometri e diversi micron l'uno dall'altro.

Questi pilastri a volte si fondevano, formare modelli che sembravano catene di biciclette se visti dall'alto; in altri film, i pilastri sono cresciuti uniformemente distanziati, array a nido d'ape. Una volta riportato il sistema a temperatura ambiente, le strutture si sono solidificate sul posto per produrre caratteristiche auto-organizzate.

Nel 2002, ricercatori in Germania che avevano osservato questo fenomeno hanno ipotizzato che i pilastri derivino da fluttuazioni di pressione infinitesimali, ma molto reali, lungo la superficie di una pellicola piatta altrimenti quiescente. Hanno proposto che le differenze nella pressione superficiale fossero causate da variazioni altrettanto piccole nel modo in cui i singoli pacchetti (o quanti) di energia vibrazionale, conosciuti come fononi, riflettere dalle interfacce del film.

"Nel loro modello, si ritiene che la differenza di impedenza acustica tra l'aria e il polimero generi uno squilibrio nel flusso fononico che provoca una pressione di radiazione che destabilizza il film, permettendo la formazione di pilastri, " dice Troian. "Il loro meccanismo è l'analogo acustico della forza Casimir, che è abbastanza familiare ai fisici che lavorano su nanoscala."

Ma Troiano, che aveva familiarità con gli effetti termici su piccola scala e sapeva che la propagazione di questi fononi è in realtà improbabile nei fusi polimerici amorfi, che mancano di una struttura periodica interna, riconobbe immediatamente che un altro meccanismo potrebbe essere in agguato in questo sistema.

Per determinare la causa effettiva della formazione di nanopillar, lei e lo studioso postdottorato Caltech Mathias Dietzel hanno sviluppato un modello fluidodinamico dello stesso tipo di sottile, nanofilm fuso in un gradiente termico.

Il loro modello, Troiano dice, "ha mostrato un'instabilità auto-organizzante che è stata in grado di riprodurre le strane formazioni, " e ha mostrato che i nanopilastri, infatti, forma non tramite fluttuazioni di pressione ma attraverso un semplice processo fisico noto come flusso termocapillare.

Nel flusso capillare, o azione capillare, la forza attrattiva, o coesione, tra molecole dello stesso liquido (diciamo, acqua) produce tensione superficiale, la forza di compressione responsabile di tenere insieme una goccia d'acqua. Poiché la tensione superficiale tende a minimizzare l'area superficiale di un liquido, spesso agisce come meccanismo stabilizzante contro la deformazione causata da altre forze. Differenze di temperatura lungo un'interfaccia liquida, però, generare differenze di tensione superficiale. Nella maggior parte dei liquidi, le regioni più fredde avranno una tensione superficiale maggiore rispetto a quelle più calde e questo squilibrio può far sì che il liquido fluisca dalle regioni a temperatura più calda a quelle più fredde, un processo noto come flusso termocapillare.

In precedenza, Troian ha usato tali forze per applicazioni microfluidiche, per spostare le gocce da un punto all'altro.

"Puoi vedere questo effetto molto bene se muovi un cubetto di ghiaccio a forma di otto sotto una lamiera rivestita di un liquido come il glicerolo, " dice. "Il liquido sgorga sopra il cubo mentre traccia la figura. Puoi disegnare il tuo nome in questo modo, e, presto! Ti sei procurato una nuova forma di litografia termocapillare!"

nella loro Lettere di revisione fisica carta, Troian e Dietzel hanno mostrato come questo effetto possa teoricamente dominare tutte le altre forze a dimensioni nanometriche, e ha anche mostrato che il fenomeno non è peculiare dei film polimerici.

Negli esperimenti sui gradienti termici, dicono, le punte delle minuscole sporgenze nel film polimerico subiscono una temperatura leggermente più fredda rispetto al liquido circostante, a causa della loro vicinanza al wafer più freddo.

"La tensione superficiale su una punta in evoluzione è solo un po' maggiore, e questo crea una forza molto forte orientata parallelamente all'interfaccia aria/polimero, che avvia il fluido verso il wafer più freddo. Più la punta si avvicina al wafer, più fa freddo, portando a un'instabilità che si autoalimenta, "Spiega Troian.

In definitiva, lei dice, "si può finire con strutture colonnari molto lunghe. L'unico limite all'altezza della colonna, o nanopilastro, è la distanza di separazione dei wafer."

Nei modelli informatici, i ricercatori sono stati in grado di utilizzare variazioni mirate nella temperatura del substrato più freddo per controllare con precisione il modello replicato nel nanofilm. In uno di questi modelli, hanno creato un "nanorilievo" tridimensionale del logo Caltech.

Troian ei suoi colleghi stanno ora iniziando esperimenti in laboratorio in cui sperano di fabbricare una serie diversificata di elementi ottici e fotonici su nanoscala. "Stiamo puntando a nanostrutture con superfici particolarmente lisce, lisce come non potresti mai renderle, e forme 3D che non sono facilmente ottenibili utilizzando la litografia convenzionale, "dice Troiano.

"Questo è un esempio di come la comprensione di base dei principi della fisica e della meccanica possa portare a scoperte inaspettate che possono avere una vasta portata, implicazioni pratiche, "dice Ares Rosakis, presidente della Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate (EAS) e Theodore von Kármán Professore di Aeronautica e Ingegneria Meccanica al Caltech. "Questa è la vera forza della divisione EAS".

Maggiori informazioni: Fis. Rev. Lett. 103, 074501 (2009), link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.074501

Fonte:California Institute of Technology (notizie:web)