Da sinistra:immagini al microscopio elettronico a scansione di nanopiramidi d'argento e reti da pesca d'argento fabbricate mediante imprinting laser shock.
Un nuovo metodo che crea modelli di grandi aree di nanoforme tridimensionali da fogli di metallo rappresenta un potenziale sistema di produzione per produrre in serie innovazioni a basso costo come "metamateriali plasmonici" per tecnologie avanzate.
I metamateriali hanno superfici ingegnerizzate che contengono caratteristiche, modelli o elementi sulla scala dei nanometri che consentono un controllo della luce senza precedenti e potrebbero portare innovazioni come l'elettronica ad alta velocità, sensori avanzati e celle solari.
Il nuovo metodo, chiamato imprinting laser shock, crea forme dalle forme cristalline dei metalli, potenzialmente dando loro proprietà meccaniche e ottiche ideali utilizzando un sistema da banco in grado di produrre in serie le forme a basso costo
I risultati sono dettagliati in un documento di ricerca apparso venerdì (12 dicembre) sulla rivista Scienza . Il documento è stato scritto da ricercatori della Purdue University, Università di Harvard, Istituto di studi avanzati di Madrid, e l'Università della California, San Diego. La ricerca è guidata da Gary Cheng, professore associato di ingegneria industriale alla Purdue.
Le forme, che includono nanopiramidi, ingranaggi, barre, scanalature e un motivo a rete, sono troppo piccoli per essere visti senza strumenti di imaging specializzati e sono migliaia di volte più sottili della larghezza di un capello umano. I ricercatori hanno usato la loro tecnica per stampare nanoforme dal titanio, alluminio, rame, oro e argento.
Un vantaggio chiave della formatura indotta dagli urti sono gli angoli ben definiti e le caratteristiche verticali, o strutture ad alta fedeltà.
"Queste nanoforme hanno anche superfici estremamente lisce, potenzialmente molto vantaggioso per applicazioni commerciali, " Ha detto Cheng. "Tradizionalmente è stato davvero difficile deformare un materiale cristallino in un nanostampo molto più piccolo della granulometria dei materiali di partenza, e a causa degli effetti dimensionali i materiali sono super resistenti quando la granulometria deve essere ridotta a dimensioni molto piccole. Perciò, è molto difficile generare un flusso di metallo in nanostampi con una modellazione 3D ad alta fedeltà."
I ricercatori hanno anche creato strutture ibride che combinano il metallo con il grafene, un foglio ultrasottile di carbonio promettente per varie tecnologie. Un tale materiale ibrido potrebbe migliorare l'effetto plasmonico e portare "assorbitori perfetti metamateriali, " o AMP, che hanno potenziali applicazioni nell'optoelettronica e nelle comunicazioni wireless.
"Possiamo generare nanopattern su materiali ibridi metallo-grafene, che apre nuovi modi per modellare i cristalli 2-D, " Ha detto Cheng.
La tecnica funziona utilizzando un laser pulsato per generare l'imprinting di metalli ad "alta velocità di deformazione" nel nanostampo.
Da sinistra:immagini al microscopio elettronico a scansione di una serie di nanoingranaggi importati su fogli di alluminio laminati a freddo e nanobarre.
"Iniziamo con un film sottile di metallo, e possiamo deformarlo in nanoforme 3D modellate su grandi aree, " Cheng ha detto. "Ciò che è più interessante è che le nanostrutture 3-D risultanti sono ancora cristalline dopo il processo di imprinting, che fornisce buone proprietà elettromagnetiche e ottiche."
Mentre altri ricercatori hanno creato nanoforme con materiali relativamente morbidi o amorfi, la nuova ricerca mostra come creare nanoforme da metalli duri e cristallini.
I nanostampi di silicio sono stati fabbricati presso il Birck Nanotechnology Center nel Discovery Park di Purdue da un gruppo di ricerca guidato da Minghao Qi, professore associato di ingegneria elettrica e informatica.
"È controintuitivo utilizzare il silicio per gli stampi perché è un materiale piuttosto fragile rispetto ai metalli, " disse Qi. "Tuttavia, dopo aver depositato uno strato ultrasottile di ossido di alluminio sui nanostampi, si comporta molto bene per questo scopo. I nanostampi potrebbero essere riutilizzati molte volte senza danni evidenti. Parte del motivo è che sebbene la velocità di deformazione sia molto alta, la pressione d'urto applicata è solo di circa 1-2 gigapascal."
È stato dimostrato che le forme hanno un "rapporto di aspetto" fino a 5, significa che l'altezza è cinque volte maggiore della larghezza, una caratteristica importante per le prestazioni dei metamateriali plasmonici.
Da sinistra:immagini al microscopio elettronico a scansione di una serie di scanalature a V triangolari e una serie di nanotrincee in un film sottile di titanio.
"È un compito molto impegnativo dal punto di vista della fabbricazione per creare ultra-lisci, nanostrutture ad alta fedeltà, " Dice Qi. "Normalmente quando i metalli si ricristallizzano formano grani e questo li rende più o meno ruvidi. Precedenti prove per formare nanostrutture metalliche hanno dovuto ricorrere all'imprinting ad altissima pressione di metalli cristallini o all'imprinting di metallo amorfo, che produce un'elevata rugosità nei metalli cristallini o superfici lisce nei metalli amorfi ma una resistenza elettrica molto elevata. Per potenziali applicazioni in nanoelettronica, optoelettronica e plasmonica desideri proprietà quali alta precisione, bassa perdita elettromagnetica, elevata conducibilità elettrica e termica. Vuoi anche che sia molto fedele in termini di pattern, angoli acuti, pareti laterali verticali, e quelli sono molto difficili da ottenere. Prima della svolta di Gary, Ho pensato che fosse improbabile raggiungere tutte le buone qualità insieme".
Il documento è stato scritto dagli studenti di dottorato di Purdue Huang Gao, Yaowu Hu, Ji Li, e Yingling Yang; il ricercatore Ramses V. Martinez di Harvard e dell'Istituto di studi avanzati di Madrid; Il professore assistente di ricerca della Purdue Yi Xuan, Chunyu Li, associato di ricerca di Purdue; Jian Luo, professore all'Università della California, San Diego; Qi e Cheng.
La ricerca futura potrebbe concentrarsi sull'utilizzo della tecnica per creare un sistema di produzione roll-to-roll, che viene utilizzato in molti settori, tra cui la produzione di carta e lamiera, e può essere importante per nuove applicazioni come l'elettronica flessibile e le celle solari.
