I ricercatori hanno dimostrato un nuovo processo per fabbricare rapidamente complesse nanostrutture tridimensionali da una varietà di materiali, compresi i metalli. La nuova tecnica utilizza la nanoelettrospray per fornire una fornitura continua di precursore liquido, che possono includere ioni metallici che vengono convertiti in metallo di elevata purezza da un fascio di elettroni focalizzato.

Il nuovo processo genera strutture che sarebbe impossibile realizzare utilizzando tecniche di deposizione indotta da fascio di elettroni focalizzate in fase gassosa (FEBID), e consente la fabbricazione a velocità fino a cinque ordini di grandezza più veloci rispetto alla tecnica in fase gassosa. E poiché utilizza solventi liquidi standard, il nuovo processo potrebbe trarre vantaggio da un'ampia gamma di materiali precursori. È possibile depositare anche più materiali contemporaneamente.

"Permettendoci di far crescere strutture molto più velocemente con un'ampia gamma di precursori, questa tecnica apre davvero una direzione completamente nuova per creare una gerarchia di complesse strutture tridimensionali con risoluzione su nanoscala alla velocità richiesta per la scalabilità della produzione, " ha detto Andrei Fedorov, professore alla George Woodruff School of Mechanical Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Questo potrebbe fornire un cambiamento fondamentale nel modo in cui andrà questo campo".

La ricerca è stata supportata dall'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e riportata sulla rivista Nano lettere . Le applicazioni per la scrittura rapida di fasci di elettroni di nanostrutture 3D topologicamente complesse potrebbero includere nuovi tipi di topologie di elettrodi per batterie e celle a combustibile, memoria elettronica impilata verticalmente, substrati per il controllo della differenziazione cellulare e minuscoli dispositivi di conversione elettrochimica.

Nel processo FEBID stabilito, un fascio di elettroni viene utilizzato per scrivere strutture da molecole adsorbite su una superficie solida che fornisce supporto e siti di nucleazione per la crescita dei depositi. I precursori vengono introdotti nella camera del microscopio elettronico ad alto vuoto in fase gassosa. Gli elettroni ad alta energia nel raggio interagiscono con il substrato per produrre gli elettroni secondari a bassa energia, che dissociano le molecole precursori adsorbite, con conseguente deposizione di materiale solido sulla superficie del substrato.

Sebbene consenta la fabbricazione precisa atomo per atomo di nanostrutture, il processo è molto lento perché la bassa densità delle molecole di gas adsorbite nell'ambiente del vuoto limita la quantità di materiale disponibile per la fabbricazione. E le strutture devono essere fabbricate dalla superficie del substrato fino a un tasso di crescita continuamente decrescente e da un numero limitato di gas precursori disponibili.

Fedorov e i suoi collaboratori hanno notevolmente accelerato il processo introducendo precursori in fase liquida caricati elettricamente direttamente nel vuoto spinto della camera del microscopio elettronico. I precursori in fase liquida erano stati dimostrati in precedenza, ma i materiali dovevano essere racchiusi in una minuscola capsula dove avveniva la reazione, limitazione della flessibilità di fabbricazione, capacità e utilità dell'approccio per la nanofabbricazione 3D.

Il team di ricerca, che comprende lo studente laureato e primo autore Jeffrey Fisher, il borsista postdottorato Songkil Kim e l'ingegnere di ricerca senior Peter Kottke – usavano solventi a bassa volatilità come glicole etilenico, sciogliendo un sale d'argento nel liquido. In soluzione, il sale si dissocia in cationi d'argento, consentendo la produzione di depositi di metallo d'argento mediante reazione di riduzione elettrochimica utilizzando elettroni secondari solvatati piuttosto che decomposizione molecolare diretta.

Il solvente contenente gli ioni del materiale desiderato viene introdotto nella camera mediante un sistema di nanoelettrospray composto da un minuscolo ugello di pochi micron di diametro. Applicando il campo elettrico focalizzato all'ugello, il getto di fluido viene aspirato e inviato al substrato formando un sottile film liquido controllato con precisione.

L'elettrospray produce goccioline cariche su scala nanometrica da un getto a cono Taylor di appena 100 nanometri di diametro, che si fondono all'urto e formano un film sottile del precursore sul substrato solido.

Il team di ricerca ha utilizzato il fascio di elettroni stesso per visualizzare il getto del cono di Taylor nell'ambiente del vuoto, la prima volta che ciò sia mai stato dimostrato, nonché misurare lo spessore del film liquido in situ utilizzando un "righello" su scala nanometrica prefabbricato sul substrato di deposizione. Il fascio di elettroni quindi scansiona il film liquido seguendo uno schema desiderato, producendo opportuni elettroni di energia che solvatano e riducono i cationi, strutture di scrittura in formazione precisa dal precursore consegnato dal getto elettrificato. Sebbene si verifichi l'evaporazione del solvente, il nanoelettrospray può mantenere un film stabile abbastanza a lungo da consentire la formazione delle strutture.

La combinazione di un precursore più denso, la riduzione dei problemi di trasferimento superficiale del materiale e l'eliminazione della necessità di rompere i legami chimici con il fascio di elettroni consente la fabbricazione fino a cinque ordini di grandezza - un fattore di 5, 000 – più veloce della precedente tecnica in fase gassosa.

"Cambiando l'energia del raggio e della corrente, possiamo far crescere preferibilmente nanostrutture in 3D a un ritmo molto più veloce, " Fedorov ha detto. "Tutto ad un tratto, ci sono tutta una serie di applicazioni diverse che prima non erano possibili."

Variando il tipo di precursore, spessore del film, concentrazione di ioni e l'energia e la corrente del fascio di elettroni controlla i tipi di strutture che possono essere realizzate, ha detto Fedorov. Strutture come i ponti che collegano i pali diventano possibili perché il materiale può essere scritto sopra i film sottili.

I ricercatori hanno fabbricato nanopillar di carbonio alti cinque micron, nanostrutture simili a pareti che collegano due nanopilastri, e nanostrutture ad arco sospese simili a ponti che collegano i nanopilastri. Le strutture hanno richiesto tempi di crescita compresi tra 2 e 40 secondi. Sono stati anche fabbricati micropilastri d'argento.

Il nuovo processo consente una notevole flessibilità nella fabbricazione, aprendo la possibilità di depositare più di un materiale contemporaneamente. Ciò potrebbe consentire la produzione di leghe e compositi, come combinazioni di argento e oro. O, un materiale potrebbe essere utilizzato come modello da rivestire con un altro materiale con la semplice sostituzione di materiali precursori.

Finora, il team Georgia Tech ha prodotto strutture in argento e carbonio, ma il processo potrebbe essere utilizzato per fabbricare un'ampia gamma di nanomateriali metallici e non metallici. I metalli prodotti utilizzando la tecnica possono essere altamente puri perché è possibile mitigare una fase di dissociazione del precursore che produce carbonio.

Il prossimo passo sarà comprendere la fisica e la chimica che governano il processo di fabbricazione per consentire un controllo più preciso e guidare gli altri che potrebbero volerlo utilizzare per le proprie applicazioni specifiche.

"Ci aspettiamo che il ruolo dei solventi sarà molto importante nei tipi di percorsi cinetici che possiamo controllare per produrre molti diversi tipi di strutture con la composizione chimica desiderata, " ha detto Fedorov. "Questo ci dà l'opportunità di esplorare un regime di chimica e fisica che era stato precedentemente al di fuori di ciò che potevamo studiare. Vogliamo stabilire una comprensione della fisica e della chimica di base del processo".

Il lavoro futuro includerà uno studio su come l'interazione dei raggi con diverse energie, ambienti sottovuoto, solventi e concentrazioni di specie ioniche influenzano il risultato.

"Abbiamo dimostrato che possiamo elettrospray precursori liquidi all'interno di un ambiente ad alto vuoto di un microscopio elettronico e quindi utilizzare gli elettroni per facilitare trasformazioni chimiche utili, " ha detto Fedorov. "Pensiamo che questo consentirà a scienziati e ingegneri di realizzare strutture che prima potevano solo sognare".