Il gruppo di Luis Fernando Velásquez-García presso i Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT sviluppa serie dense di coni microscopici che sfruttano le forze elettrostatiche per espellere flussi di ioni.

La tecnologia ha una gamma di applicazioni promettenti:deposito o incisione di caratteristiche su dispositivi meccanici su nanoscala; filare le nanofibre per l'uso nei filtri per l'acqua, armatura del corpo, e tessuti "intelligenti"; o sistemi di propulsione per "nanosatelliti" delle dimensioni di un pugno.

Nell'ultimo numero dell'IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, Velásquez-Garcia, i suoi studenti laureati Eric Heubel e Philip Ponce de Leon, e Francesca Hill, un postdoc nel suo gruppo, descrivere un nuovo prototipo di array che genera 10 volte la corrente ionica per emettitore rispetto agli array precedenti.

La corrente ionica è una misura della carica trasportata dagli ioni in movimento, che si traduce direttamente nella velocità con cui le particelle possono essere espulse. Correnti più elevate promettono quindi una produzione più efficiente e satelliti più agili.

Lo stesso prototipo stipa anche 1, 900 emettitori su un chip che è solo un centimetro quadrato, quadruplicando le dimensioni dell'array e la densità di emettitori anche del migliore dei suoi predecessori.

"Questo è un campo che trae vantaggio dalla miniaturizzazione dei componenti, perché la riduzione degli emettitori implica un minor consumo di energia, meno tensione di polarizzazione per farli funzionare, e maggiore produttività, "dice Velásquez-García, un ricercatore principale presso MTL. "L'argomento che abbiamo affrontato è come possiamo far funzionare questi dispositivi il più vicino possibile al limite teorico e come possiamo aumentare notevolmente il throughput in virtù del multiplexing, con dispositivi massicciamente paralleli che operano in modo uniforme."

Quando Velásquez-García parla di "limite teorico, " sta parlando del punto in cui le goccioline—gruppi di molecole—piuttosto che ioni—singole molecole—iniziano a fluire fuori dagli emettitori. Tra gli altri problemi, le gocce sono più pesanti, quindi la loro velocità di espulsione è inferiore, il che li rende meno utili per l'incisione o la propulsione satellitare.

Gli ioni espulsi dal prototipo di Velásquez-García sono prodotti da un sale ionico liquido a temperatura ambiente. La tensione superficiale trasporta il fluido lungo il lato degli emettitori fino alla punta del cono, la cui ristrettezza concentra il campo elettrostatico. In punta, il liquido è ionizzato e, idealmente, espulso una molecola alla volta.

Rallenta il flusso

Quando la corrente ionica in un emettitore diventa abbastanza alta, la formazione di goccioline è inevitabile. Ma i primi array di emettitori, quelli costruiti sia dal gruppo di Velásquez-García che da altri, erano ben al di sotto di quella soglia.

Aumentare la corrente ionica di un array è una questione di regolare il flusso del sale ionico lungo i lati degli emettitori. Fare quello, i ricercatori del MIT avevano precedentemente utilizzato silicio nero, una forma di silicio cresciuto come setole fitte. Ma nel nuovo lavoro, hanno invece usato nanotubi di carbonio, fogli di carbonio dello spessore di un atomo arrotolati in cilindri, cresciuti sui pendii degli emettitori come alberi sul fianco di una montagna.

Adattando accuratamente la densità e l'altezza dei nanotubi, i ricercatori sono stati in grado di ottenere un flusso di fluido che ha consentito una corrente ionica operativa molto vicina al limite teorico.

"Mostriamo anche che funzionano in modo uniforme, che ogni emettitore fa esattamente la stessa cosa, " dice Velásquez-García. Questo è fondamentale per le applicazioni di nanofabbricazione, in cui la profondità di un'incisione, o l'altezza dei depositi, deve essere coerente su un intero chip.

Per controllare la crescita dei nanotubi, i ricercatori prima coprono l'array di emettitori con un film catalizzatore ultrasottile, che viene frantumato in particelle da reazioni chimiche sia con il substrato che con l'ambiente. Quindi espongono l'array a un plasma ricco di carbonio. I nanotubi crescono sotto le particelle di catalizzatore, che siedono sopra di loro, finché il catalizzatore non si degrada.

L'aumento della densità dell'emettitore - l'altro miglioramento riportato nel nuovo documento - era una questione di ottimizzazione della "ricetta, " dice Velásquez-García. Gli emettitori, come la maggior parte dei dispositivi in ​​silicio su scala nanometrica, sono stati prodotti attraverso la fotolitografia, un processo in cui i modelli sono trasferiti otticamente a strati di materiali depositati su wafer di silicio; un plasma quindi incide il materiale via secondo il modello. "La ricetta sono i gas, potenza, livello di pressione, tempo, e la sequenza dell'incisione, " Dice Velásquez-García. "Abbiamo iniziato a realizzare array di elettrospray 15 anni fa, e realizzare diverse generazioni di dispositivi ci ha dato il know-how per migliorarli."

Nanostampa

Velásquez-García ritiene che l'utilizzo di array di emettitori per produrre nanodispositivi potrebbe avere diversi vantaggi rispetto alla fotolitografia, la tecnica che produce gli array stessi. Poiché possono funzionare a temperatura ambiente e non richiedono una camera a vuoto, gli array potrebbero depositare materiali che non possono resistere alle condizioni estreme di molti processi di micro e nanoproduzione. E potrebbero eliminare il lungo processo di deposito di nuovi strati di materiale, esponendoli a schemi ottici, incidendoli, e poi ricominciare tutto da capo.

"Secondo me, i migliori nanosistemi saranno realizzati con la stampa 3D perché eviterebbe i problemi della microfabbricazione standard, " dice Velásquez-García. "Utilizza attrezzature proibitive, che richiede un alto livello di formazione per operare, e tutto è definito nei piani. In molte applicazioni si vuole la tridimensionalità:la stampa 3D farà una grande differenza nei tipi di sistemi che possiamo mettere insieme e nell'ottimizzazione che possiamo fare".

"Tipicamente l'interesse di questo tipo di emettitore è quello di poter emettere un fascio di ioni e non un fascio di goccioline, "dice Herbert Shea, professore associato nel Laboratorio di Microsistemi per le Tecnologie Spaziali presso l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne. "Utilizzando la loro foresta di nanotubi, sono in grado di far funzionare i dispositivi in ​​modalità a ioni puri, ma hanno una corrente elevata tipicamente associata alla modalità goccia".

Shea crede che, almeno nel breve termine, l'applicazione più promettente della tecnologia è nella propulsione di veicoli spaziali. "Ci vorrebbe un grande sforzo per trasformarlo in un pratico strumento di microlavorazione, considerando che ci vorrebbe pochissimo sforzo per usarlo come propulsione per piccoli veicoli spaziali, " dice. "Il motivo per cui vorresti essere in modalità ionica è avere la conversione più efficiente della massa del propellente nella quantità di moto del veicolo spaziale".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.