L'uso di stampi per modellare le cose è antico quanto l'umanità. Nell'età del bronzo, la lega rame-stagno veniva fusa e colata in armi in stampi di ceramica. Oggi, lo stampaggio a iniezione ed estrusione modella i liquidi caldi in qualsiasi cosa, dalle parti di automobili ai giocattoli.

Perché questo funzioni, lo stampo deve essere stabile mentre il materiale liquido caldo si indurisce nella forma. In una svolta per la nanoscienza, Gli ingegneri dei polimeri Cornell hanno realizzato uno stampo per nanostrutture in grado di modellare il silicio liquido da un materiale polimerico organico. Questo apre la strada alla perfezione, 3-D, nanostrutture a cristallo singolo.

L'anticipo è del laboratorio di Uli Wiesner, lo Spencer T. Olin Professor of Engineering presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, il cui laboratorio in precedenza ha portato alla creazione di nuovi materiali realizzati con polimeri organici. Con la giusta chimica, polimeri organici autoassemblanti, e i ricercatori hanno utilizzato questa speciale capacità dei polimeri per creare uno stampo punteggiato di nanopori di forma e dimensioni precise.

La ricerca è pubblicata su Scienza 3 luglio.

Normalmente, fusione di silicio amorfo, che ha una temperatura di fusione di circa 2, 350 gradi, distruggerebbe il delicato stampo polimerico, che degrada a circa 600 gradi. Ma gli scienziati, in collaborazione con Michael Thompson, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, ha aggirato questo problema utilizzando periodi di fusione estremamente brevi indotti da un laser.

I ricercatori hanno scoperto che lo stampo polimerico regge se il silicio viene riscaldato da impulsi laser lunghi solo nanosecondi. In tempi così brevi, il silicio può essere riscaldato fino a diventare un liquido, ma la durata della fusione è così breve che il polimero non ha il tempo di ossidarsi e decomporsi. Essenzialmente hanno indotto lo stampo polimerico a mantenere la sua forma a temperature superiori al suo punto di decomposizione.

Quando lo stampo è stato inciso via, i ricercatori hanno dimostrato che il silicio era stato perfettamente modellato dallo stampo. Questo potrebbe portare a rendere perfetto, nanostrutture di silicio monocristallino. Non l'hanno ancora fatto, ma loro Scienza la carta mostra che è possibile. In un lavoro pubblicato nel 2010, Wiesner e colleghi hanno mostrato il percorso per questo processo, utilizzando uno stampo ad ossido.

Wiesner ha definito la svolta "bellissima" e forse un'intuizione fondamentale nello studio dei materiali su scala nanometrica. Nella scienza dei materiali, l'obiettivo è sempre quello di ottenere strutture ben definite che possano essere studiate senza interferenze da difetti del materiale.

La maggior parte delle nanostrutture autoassemblate oggi sono amorfe o policristalline, costituite da più di un pezzo di un materiale con un ordine perfetto. È difficile giudicare se le loro proprietà siano dovute alla nanostruttura stessa o se siano dominate da difetti del materiale.

La scoperta del silicio monocristallino, il semiconduttore in ogni circuito integrato, ha reso possibile la rivoluzione dell'elettronica. È stato necessario tagliare i singoli cristalli in wafer per comprendere veramente le proprietà dei semiconduttori del silicio. Oggi, la nanotecnologia consente un'incisione su nanoscala incredibilmente dettagliata, fino a 10 nanometri su un wafer di silicio.

Ma le tecniche di nanofabbricazione come la fotolitografia, in cui è scritto un materiale polimerico con una struttura che è incisa nel silicio, raggiunge i suoi limiti quando si tratta di strutture 3D.

I semiconduttori come il silicio non si autoassemblano in strutture perfettamente ordinate come fanno i polimeri. È quasi inaudito ottenere un singolo cristallo strutturato in 3D di un semiconduttore. Per realizzare nanostrutture a cristallo singolo, ci sono due opzioni:incisione multipla o stampaggio. Il gruppo di Wiesner ora ha fatto lo stampo.

Il modo in cui hanno realizzato lo stampo è stato di per sé una svolta. In precedenza avevano imparato ad autoassemblarsi in modo altamente ordinato, nanomateriali porosi che utilizzano molecole appositamente strutturate chiamate copolimeri a blocchi.

Hanno usato per la prima volta un laser ad anidride carbonica nel laboratorio di Thompson per "scrivere" i materiali nanoporosi su un wafer di silicio. Un film, spin-coperto sul wafer, conteneva un copolimero a blocchi, che ha diretto l'assemblaggio di una resina polimerica. Scrivere linee nel film con il laser, il copolimero a blocchi si è decomposto, agendo come una resistenza dal tono positivo, mentre la resina dai toni negativi è stata lasciata indietro per formare la nanostruttura porosa. Quello è diventato lo stampo.

"Abbiamo dimostrato che possiamo usare modelli organici con strutture complicate come un giroide, una struttura di rete cubica periodicamente ordinata, e "imprimerlo" sul silicio fuso, che poi si trasforma in silicio cristallino, "Ha detto Wiesner.

"Avere la capacità di plasmare il cavallo di battaglia di tutta l'elettronica, silicio, in forme intricate è senza precedenti, " ha detto Andy Lovinger, un direttore del programma nella divisione di ricerca sui materiali presso la National Science Foundation, che ha finanziato la ricerca di Wiesner. "Questo bellissimo lavoro mostra come potrebbe essere fatto sfruttando le proprietà di design uniche offerte dai materiali polimerici".

Il documento si chiama "Strutture porose gerarchiche indotte dal riscaldamento laser transitorio da autoassemblaggio diretto da copolimero a blocchi, " e il suo primo autore è Kwan Wee Tan, un ex studente laureato al Wiesner Lab.