(Phys.org) -- Dalla prima dimostrazione di sistemi microelettromeccanici (MEMS) a metà degli anni '80, la tecnologia non si è dimostrata utile come inizialmente previsto. Uno dei problemi è che i minuscoli componenti tendono ad aderire tra loro a causa delle forti forze di adesione superficiale su scala nanometrica, un effetto che gli ingegneri chiamano "stiction". gli scienziati suggeriscono che questo problema potrebbe essere risolto inducendo la levitazione quantistica tra i componenti, che dimostrano semplicemente aggiungendo un sottile rivestimento metallico a una delle superfici interagenti.

Il team di ricercatori, da istituzioni in Norvegia, Australia, e Svezia, ha pubblicato lo studio sulla levitazione quantistica tra nanosuperfici in un recente numero di Lettere di fisica applicata .

La cosa strana di questa levitazione è che deriva dalla forza di Casimir-Lifshitz, che ha l'insolita proprietà di essere attraente o ripugnante. Come un tipo di forza di van der Waals, sorge tra particelle vicine a causa delle loro proprietà elettriche intrinseche.

In questo studio, gli scienziati hanno esaminato la forza di Casimir-Lifshitz che si verifica tra due superfici di silice in un liquido (bromobenzene o toluene). Normalmente, questa forza è attraente, ma si indebolisce man mano che le particelle di silice si allontanano ulteriormente. Questo indebolimento è chiamato ritardo, e i ricercatori hanno scoperto che potevano ridurre la distanza alla quale si verifica il ritardo rivestendo uno strato ultrasottile di oro su una delle superfici di silice.

Questa piccola modifica sposta il regime di ritardo da una distanza di separazione di diversi nanometri a pochi nanometri modificando le proprietà dielettriche della superficie di silice rivestita. Infatti, il ritardo indebolisce l'attrazione così tanto che la forza diventa repulsiva quando le superfici sono separate da pochi nanometri o più, ad una distanza critica chiamata distanza di levitazione. Al di sotto della distanza di levitazione, la forza diventa di nuovo attraente, mentre al di sopra di questa distanza diventa sempre più ripugnante fino ad un punto massimo. A distanze ancora maggiori, la repulsione si stabilizza al di sotto del valore massimo.

La capacità di controllare la forza Casimir-Lifshitz non è completamente nuova. Gli scienziati conoscono teoricamente questi effetti dagli anni '70, ma solo i recenti progressi della nanotecnologia hanno consentito indagini sperimentali.

"L'interazione tra due oggetti di silice in toluene è attraente, ” ha detto il coautore Bo Sernelius dell'Università di Linköping in Svezia Phys.org . “Studi precedenti hanno dimostrato che, se uno degli oggetti viene sostituito da un oggetto in oro massiccio, l'interazione diventa repulsiva per distanze oltre la distanza di levitazione. Esiste quindi una potenziale barriera che riduce la possibilità che gli oggetti si avvicinino e si attacchino l'uno all'altro. Abbiamo trovato, e questo è nuovo, che se invece di avere un oggetto in oro massiccio avessimo un oggetto in silice con un sottile rivestimento d'oro, la distanza di levitazione si ridusse e la barriera divenne più alta. La possibilità di prevenire la stizione è aumentata considerevolmente”.

Prevenendo la stitichezza, la levitazione quantistica può offrire un modo per evitare che le superfici utilizzate nei MEMS e nei sistemi nanoelettromeccanici (NEMS) si schiantino insieme a causa di altre attraenti forze di van der Waals che esistono tra di loro. Poiché lo spessore del nanorivestimento modifica le proprietà dielettriche delle superfici interagenti, i ricercatori dovrebbero determinare con precisione lo spessore corretto per una distanza di levitazione desiderata. Se la tecnica funziona, può fornire una rivitalizzazione tanto necessaria dei campi di MEMS e NEMS.

Nel futuro, i ricercatori intendono estendere le loro indagini ad altri materiali, come l'ossido di zinco e l'afnia, che sono ampiamente utilizzati nei dispositivi microelettrici e microottici. Hanno anche un articolo imminente (arxiv.org/abs/1206.4852v1) in cui studiano le forze repulsive e attrattive tra atomi di cesio eccitati che sono confinati in un nanocanale, che sono molto diversi da quelli nello spazio libero.

“Due atomi di cesio vicini e in uno stato eccitato possono formare molecole insolitamente grandi quando si trovano tra due superfici d'oro, ” ha spiegato il coautore Mathias Bostrom della Norwegian University of Science and Technology di Trondheim, Norvegia, e l'Australian National University di Canberra, Australia. “Gli effetti del ritardo per queste interazioni di stato eccitato tra atomi sono molto simili a quelli che abbiamo trovato per la forza di Casimir-Lifshitz tra una superficie di silice rivestita d'oro e una superficie di silice in toluene. Quindi abbiamo trovato l'attrazione a lungo raggio che unisce gli atomi e la repulsione a corto raggio che consente stati legati (impedendo agli atomi di schiantarsi insieme, cioè., formando molecole super grandi).”

Finalmente, i ricercatori hanno in programma di studiare ulteriormente come la levitazione quantistica può essere utilizzata per i sistemi NEMS esaminando gli effetti anisotropi, quali sono le diverse proprietà che sorgono quando sono parallele o perpendicolari all'interfaccia del materiale.

“I nostri colleghi di Oslo (il professor Clas Persson dell'Università di Oslo e il suo team) hanno calcolato le effettive proprietà ottiche dei materiali (la funzione dielettrica) per sottili fogli d'oro che verranno utilizzati per studiare come gli effetti anisotropi possono influenzare i sistemi NEMS con nanorivestimenti in oro. È probabile che l'intervallo con le forze repulsive (impedendo al sistema di schiantarsi insieme) possa essere influenzato in tali calcoli migliorati. Il nostro obiettivo è fare questi calcoli quest'autunno".

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