La realizzazione di materiali nanostrutturati tridimensionali - quelli che hanno forme e strutture distintive su scale di pochi miliardesimi di metro - è diventata un fertile campo di ricerca, produrre materiali utili per l'elettronica, fotonica, fononica e dispositivi biomedici. Ma i metodi per realizzare tali materiali sono stati limitati nella complessità 3D che possono produrre. Ora, un team del MIT ha trovato un modo per produrre strutture più complicate utilizzando una miscela di attuali approcci "top-down" e "bottom-up".

Il lavoro è descritto in un articolo pubblicato a giugno sulla rivista Nano lettere , co-autore del postdoc Chih-Hao Chang; George Barbastathis, il Singapore Research Professor di Ottica e Professore di Ingegneria Meccanica; e sei studenti laureati del MIT.

Un approccio alla realizzazione di nanostrutture tridimensionali - un approccio dall'alto verso il basso - è chiamato litografia a sfasamento, in cui una maschera bidimensionale modella l'intensità della luce che colpisce uno strato di materiale fotoresist (allo stesso modo un negativo fotografico controlla la quantità di luce che raggiunge le diverse aree di una stampa). Il fotoresist viene alterato solo nelle zone raggiunte dalla luce. Però, questo approccio richiede maschere di fase fabbricate in modo molto preciso, che sono costosi e richiedono tempo da realizzare.

Un altro metodo, un approccio dal basso verso l'alto, consiste nell'utilizzare nanoparticelle colloidali autoassemblanti che si formano in determinate disposizioni ravvicinate energeticamente favorevoli. Questi possono quindi essere utilizzati come maschera per metodi di deposizione fisica, come la deposizione di vapore, o incisione della superficie, per produrre strutture 2-D, proprio come uno stencil può essere usato per controllare dove la vernice raggiunge una superficie. Ma questi metodi sono lenti e limitati dai difetti che possono formarsi nel processo di autoassemblaggio, quindi sebbene possano essere utilizzati per la fabbricazione di strutture 3D, ciò è reso difficile perché eventuali difetti si propagano attraverso gli strati.

"Facciamo un po' di entrambe le cose, "Chang dice. "Abbiamo preso il metodo di un chimico e abbiamo aggiunto un sapore di ingegneria".

Il nuovo metodo è un ibrido in cui l'array autoassemblato viene prodotto direttamente su un materiale di substrato, svolgendo la funzione di maschera per il processo di litografia. Le singole nanoparticelle che si assemblano sulla superficie agiscono ciascuna come minuscole lenti, focalizzando il raggio in uno schema di intensità determinato dalla loro disposizione sulla superficie. Il metodo, gli autori dicono nel loro articolo, "può essere implementato come una nuova tecnica per fabbricare complesse nanostrutture 3-D in tutti i campi della ricerca su nanoscala".

A seconda delle forme e delle disposizioni delle minuscole perle di vetro che utilizzano per la parte di autoassemblaggio del processo, è possibile creare una grande varietà di strutture, "dai buchi ai pali ad alta densità, anelli, strutture fiorite, tutti utilizzando lo stesso identico sistema, " dice Chang. "È un modo molto semplice per creare nanostrutture 3D, e probabilmente il modo più economico in questo momento. Puoi usarlo per molte cose."

membri della squadra, la cui specialità è in ottica, dicono che le prime strutture che intendono realizzare sono cristalli fotonici, la cui struttura può manipolare il comportamento dei fasci luminosi che li attraversano. Ma il metodo può essere utilizzato anche per realizzare materiali fononici, che controllano le onde di calore o suono, o anche per realizzare filtri con porosità precisamente controllata, che potrebbero avere applicazioni biomediche.

John Rogers SM '92, dottorato di ricerca '95, un professore di scienza e ingegneria dei materiali e professore di chimica presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign che non è stato coinvolto in questo lavoro, afferma che questi ricercatori del MIT hanno trovato "un modo straordinariamente semplice per fare una cosa molto difficile nella nanofabbricazione, cioè., creare su larga scala, nanostrutture tridimensionali con forme utili."

Rogers dice, "La semplicità sperimentale, e il conseguente accesso a strutture che sarebbe difficile o impossibile ottenere in altri modi, suggeriscono che l'approccio sarà utile per molti campi di applicazione, che vanno dai cristalli fotonici alle membrane filtranti ingegnerizzate e altri."