(PhysOrg.com) -- Gli scienziati del California Institute of Technology hanno condotto esperimenti che confermano quale dei tre possibili meccanismi è responsabile della formazione spontanea di array di pilastri tridimensionali (3-D) nei nanofilm (film polimerici che sono miliardesimi di spessore di un metro). Queste sporgenze compaiono improvvisamente quando la superficie di un nanofilm fuso è esposta a un gradiente di temperatura estremo e si auto-organizzano in forme esagonali, lamellare, quadrato, o modelli a spirale.

Questo mezzo non convenzionale di modellare i film è stato sviluppato da Sandra Troian, professore di fisica applicata, aeronautica, e ingegneria meccanica al Caltech, che utilizza la modulazione delle forze superficiali per modellare e modellare nanofilm liquefabili in forme 3D. "Il mio obiettivo finale è sviluppare una suite di tecniche litografiche 3D basate su telecomandi, modulazione digitale del termico, elettrico, e forze magnetiche superficiali, " Dice Troian. La conferma del meccanismo corretto le ha permesso di dedurre la risoluzione massima o la dimensione minima delle caratteristiche alla fine possibile con queste tecniche di patterning.

Nel metodo di Troian, forme arbitrarie vengono prima scolpite da un film fuso da forze superficiali e poi istantaneamente solidificate in situ raffreddando il campione. "Queste tecniche sono ideali per la fabbricazione di componenti ottici o fotonici che presentano interfacce ultralisce, " spiega. Il processo introduce anche alcune interessanti nuove fisiche che diventano evidenti solo su scala nanometrica. "Anche nella terra dei lillipuziani, queste forze sono al massimo deboli, ma su scala nanometrica o ancora più piccole, governano il mondo, " lei dice.

Gli esperimenti che hanno portato a questa scoperta sono stati evidenziati sulla copertina del numero del 29 aprile della rivista Lettere di revisione fisica .

Gli esperimenti, progettato per isolare la fisica dietro il processo, sono impegnativi nella migliore delle ipotesi. L'installazione richiede due lisci, substrati piani, che sono separati solo da poche centinaia di nanometri, rimanere perfettamente paralleli su distanze di un centimetro o più.

Una tale configurazione sperimentale presenta diverse difficoltà, compreso che "nessun substrato di queste dimensioni è veramente piatto, "Dice Troiano, "e anche la termocoppia più piccola del mondo è troppo grande per entrare nel vuoto". Inoltre, lei dice, "il gradiente termico nell'intercapedine può superare valori di un milione di gradi per centimetro, quindi l'installazione subisce un'espansione significativa, distorsione, e contrazione durante una corsa tipica."

Infatti, tutti gli studi precedenti hanno affrontato sfide simili, portando a stime imprecise del gradiente termico e all'incapacità di visualizzare la formazione e la crescita delle strutture, tra gli altri problemi. "Per complicare le cose, "Dice Troiano, "tutti i dati precedenti in letteratura sono stati ottenuti in fasi molto avanzate della crescita, ben oltre il regime di validità dei modelli teorici, "dice Troiano.

Gli esperimenti del Caltech hanno risolto queste sfide tornando alle misurazioni in situ. I ricercatori hanno sostituito il substrato freddo superiore con una finestra trasparente ricavata da un singolo cristallo di zaffiro, che ha permesso loro di vedere direttamente le formazioni in via di sviluppo. Hanno anche usato l'interferometria a luce bianca per aiutare a mantenere il parallelismo durante ogni corsa e per registrare la forma emergente e il tasso di crescita delle strutture emergenti. Sono state inoltre utilizzate simulazioni agli elementi finiti per ottenere stime molto più accurate del gradiente termico nel minuscolo gap.

"Quando tutto è detto e fatto, i nostri risultati indicano che questo processo di formazione non è guidato dall'attrazione elettrostatica tra la superficie del film e il substrato vicino, simile a quello che accade quando ci si passa un pettine tra i capelli, o dalle fluttuazioni di pressione all'interno del film dai riflessi dei fononi acustici, le eccitazioni collettive di molecole, come si credeva una volta, Troiano spiega. "I dati semplicemente non si adattano a questi modelli, Non importa quanto ci provi, ", afferma. Inoltre, i dati non sembravano adattarsi a un terzo modello basato sulla strutturazione del film mediante flusso termocapillare, il flusso dalle regioni più calde a quelle più fredde che accompagna le variazioni della temperatura superficiale.

Troian ha proposto il modello termocapillare diversi anni fa. I calcoli per questa "instabilità da ricerca del freddo" suggeriscono che i nanofilm sono sempre instabili in risposta alla formazione di schiere di pilastri 3D, indipendentemente dall'entità del gradiente termico. Piccole sporgenze nel film subiscono una temperatura leggermente più fredda rispetto al liquido circostante a causa della loro vicinanza a un bersaglio freddo. La tensione superficiale di queste punte è maggiore di quella del film circostante. Questo squilibrio genera una forza superficiale molto forte che "tira" il fluido verso l'alto e "nella terza dimensione, " dice. Questo processo dà facilmente origine a matrici di grandi aree di fossette, creste, pilastri, e altre forme. Una versione non lineare del modello suggerisce come i pin freddi possono essere utilizzati anche per formare array più regolari.

Troian era inizialmente deluso dal fatto che le misurazioni non corrispondessero alle previsioni teoriche. Per esempio, la previsione per la distanza tra le sporgenze era sbagliata di un fattore due o più. "Mi è venuto in mente che alcune proprietà del nanofilm da inserire nel modello potrebbero essere molto diverse da quei valori di letteratura ottenuti da campioni macroscopici, " lei nota.

Ha arruolato il consiglio dell'ingegnere meccanico Ken Goodson a Stanford, un esperto di trasporto termico in nanofilm, che ha confermato di aver notato anche un miglioramento significativo nella capacità di trasferimento del calore di alcuni nanofilm. Ulteriori indagini hanno rivelato che altri gruppi in tutto il mondo hanno iniziato a segnalare miglioramenti simili nelle caratteristiche ottiche e di altro tipo dei nanofilm. "E voilà! ... regolando un parametro chiave, "Troiano dice, "abbiamo ottenuto un perfetto accordo tra esperimento e teoria. Che bello!"

Non soddisfatto di questi risultati, Troian vuole avviare uno studio separato per trovare la fonte di queste proprietà migliorate nei nanofilm. "Ora che il nostro orizzonte è chiaro, Garantisco che non staremo fermi fino a quando non saremo in grado di fabbricare alcuni componenti insoliti la cui forma e risposta ottica possono essere formate solo da un tale processo".