Ibrido, nanostrutture multifunzionali con diverse forme 3D e composizione di materiali complessi possono ora essere prodotte con una tecnica di fabbricazione precisa ed efficiente.

La realizzazione di nanomacchine si sta avvicinando sempre di più alla realtà. I ricercatori dell'Istituto Max Planck per i sistemi intelligenti di Stoccarda stanno contribuendo a trasformare in realtà una delle grandi sfide della nanoscienza. Hanno sviluppato un metodo che consente di produrre un assortimento di nanostrutture di forma insolita e funzionalizzabili. Consente loro di combinare materiali con proprietà chimiche e fisiche ampiamente variabili su scale più piccole. Il team di scienziati guidato da Peer Fischer ha persino sviluppato antenne luminose elicoidali di lunghezza inferiore a 100 nm da materiali che in genere non possono essere modellati su scala nanometrica. Ciò si ottiene depositando a vapore il materiale su un disco rotante super raffreddato. Non solo il processo consente la fabbricazione di nanostrutture in modo più preciso rispetto ai metodi precedenti, diversi miliardi di tali nanoparticelle possono essere prodotte in parallelo in modo rapido.

Molte delle idee proposte su ciò che la nanotecnologia potrebbe ottenere sono piuttosto audaci:minuscoli robot potrebbero trasportare farmaci nel corpo umano nei focolai di malattie o essere abbastanza piccoli da funzionare all'interno di una cellula umana. Potrebbe essere possibile che i nanomotori agiscano come sensori di luce o tossine su scale di lunghezza 2.000 volte più piccole dello spessore di un capello umano. Le informazioni potrebbero essere racchiuse in dispositivi di archiviazione a densità molte volte superiori a quelle ottenibili con la tecnologia odierna. La ricerca per realizzare alcuni di questi obiettivi è già abbastanza vicina. Ora, una squadra guidata da Peer Fischer, Leader di un gruppo di ricerca presso il Max Planck Institute for Intelligent Systems, è arrivato ancora più vicino. "Abbiamo sviluppato un versatile, preciso, ed efficiente con cui le nanostrutture tridimensionali possono essere fabbricate su misura da vari materiali", dice Peer Fischer. "Fino ad ora, strutture inferiori a 100 nanometri potrebbero essere create solo in ambienti molto simmetrici, forme principalmente sferiche o cilindriche."

Con il loro nuovo metodo, i ricercatori sono ora in grado di produrre ganci nanoscopici ibridi, viti, e strutture a zigzag mediante la lavorazione di materiali con proprietà fisiche molto diverse:metalli, semiconduttori, materiali magnetici, e isolanti. Come esempio delle possibili applicazioni, i ricercatori hanno prodotto eliche d'oro adatte come nanoantenne per la luce. Il colore della luce che le antenne assorbono può essere controllato dalla loro forma e composizione del materiale. Con loro, la luce polarizzata circolarmente può ad esempio essere filtrata, un processo utilizzato nei proiettori per i film in 3D. Anche, il piano di oscillazione di un'onda elettromagnetica - che è ciò che è luce polarizzata - viene ruotato in senso orario o antiorario a seconda del senso di rotazione della nanoelica metallica. L'effetto è ordini di grandezza maggiore per elica rispetto a quello che si vede con i materiali naturali.

Nanostrutture da un flusso di vapore su isole di nanopunti d'oro

Il controllo esatto sulla forma e sulla struttura dei nanocomponenti è stato ottenuto dai ricercatori di Stoccarda mediante il loro metodo elegante, che può produrre diverse centinaia di miliardi di copie di una struttura complessa in circa un'ora. Con l'aiuto della nanolitografia micellare, disponibile da diversi anni, prima posizionano miliardi di nanoparticelle d'oro regolarmente disposte sulla superficie di un wafer di silicio o di vetro. Depositano particelle d'oro ricoperte da un guscio polimerico sul substrato, che poi si dispongono in un fitto schema regolare. Dopo aver rimosso il guscio polimerico con un plasma, i punti dorati rimangono dietro legati al substrato. Gli scienziati quindi posizionano il wafer pre-modellato in quello che è essenzialmente un flusso di vapore metallico con un angolo abbastanza obliquo che gli atomi metallici possono vedere solo le minuscole isole d'oro e depositarsi solo in quei punti. Così, crescono rapidamente in nanostrutture che possono avere dimensioni delle caratteristiche fino a 20 nm.

Se i ricercatori ruotano lentamente il substrato durante la deposizione da vapore, le aste si snodano in un'elica. Se ruotano bruscamente il supporto, si forma una forma a zigzag. Se il materiale che viene vaporizzato nella camera durante il processo viene modificato, un materiale composito, come una lega metallica, è formato. Ed ovviamente, tutti questi trucchi accurati possono essere combinati. Per esempio, hanno attaccato ganci di rame ad aste di ossido di alluminio usando un sottile strato di titanio per far aderire i due materiali insieme.

L'idea cruciale:raffreddamento ad azoto liquido

"Strutture più grandi sono state prodotte già da tempo in modo simile", spiega Andrew G. Mark, un ricercatore Max Planck che ha svolto un ruolo importante nello sviluppo del metodo. "Fino ad ora, questo metodo non può essere trasferito alle nanostrutture, tuttavia." Questo perché il caldo, gli atomi mobili depositati dal vapore si dispongono rapidamente sulla superficie in una sfera per motivi energetici. "Abbiamo quindi avuto l'idea di raffreddare il substrato utilizzando azoto liquido a circa meno 200 gradi Celsius, che scorre attraverso il supporto del substrato, in modo che un atomo venga rapidamente congelato e fissato in posizione non appena atterra sull'apice del nanocorpo in crescita", dice John G. Gibbs, che allo stesso modo ha contribuito in modo significativo al lavoro presso il Max Planck Institute for Intelligent Systems.

Nonostante la versatilità del metodo, non tutte le forme possono essere create con esso. "Perché la struttura cresce sempre lontano dal wafer, niente anelli, possono formarsi triangoli o quadrati chiusi", dice Fischer. "Non siamo in grado di costruire una torre Eifel in nanoscala". Tuttavia, a lui e alla sua squadra si aprono ampie opportunità. "Il nostro obiettivo a lungo termine è costruire nanomacchine", dice Peer Fischer. "La natura costruisce motori su una scala di circa 20 nanometri. Vorremmo accoppiare i nostri componenti a questi motori". Allora potrebbe essere possibile che molti dei sogni dei nanoricercatori diventino realtà.