Nel nanomondo, minuscole particelle d'oro possono funzionare come spazzaneve, frullando attraverso gli strati superficiali di un'importante classe di semiconduttori per scavare percorsi infallibilmente rettilinei. La sorprendente capacità di scavo, segnalato da scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) e IBM, è un'importante aggiunta al kit di strumenti di metodi di "autoassemblaggio" forniti dalla natura che i ricercatori mirano a sfruttare per realizzare dispositivi utili.

Le applicazioni prevedibili includono l'integrazione di laser, sensori, guide d'onda e altri componenti ottici nei cosiddetti dispositivi lab-on-a-chip ora utilizzati per la diagnosi delle malattie, screening di materiali sperimentali e farmaci, DNA forense e altro. Facile da controllare, il nuovo processo catalizzato dall'oro per la creazione di modelli di canali con dimensioni su scala nanometrica potrebbe aiutare a generare tecnologie completamente nuove modellate da insiemi di strutture ultra-piccole.

I risultati preliminari della ricerca iniziata come limoni - un guasto causato da contaminanti che ha impedito la prevista formazione di nanofili - alla fine si sono trasformati in limonata quando le immagini al microscopio elettronico a scansione hanno rivelato lunghi, canali dritti.

"Siamo rimasti delusi, All'inizio, ", afferma Babak Nikoobakht, chimico ricercatore del NIST. "Poi abbiamo capito che l'acqua era il contaminante nel processo, un problema che si è rivelato una buona cosa".

È perché, come determinato in esperimenti successivi, l'aggiunta di vapore acqueo serviva a trasformare le nanoparticelle d'oro in scavatori di canali, piuttosto che i produttori di fili previsti. A partire dagli studi sul fosfuro di indio semiconduttore, il team ha scoperto i meccanismi chimici e le condizioni necessarie alla base del processo di incisione superficiale.

Primo, hanno modellato la superficie del semiconduttore rivestendolo selettivamente con uno strato d'oro spesso solo pochi nanometri. Al riscaldamento, il film si scompone in minuscole particelle che diventano goccioline. Il fosfuro di indio sottostante si dissolve nelle nanoparticelle d'oro sopra, creando una lega d'oro. Quindi, vapore acqueo riscaldato viene introdotto nel sistema. A temperature inferiori a 300 gradi Celsius (572 gradi Fahrenheit), le minuscole particelle di lega d'oro, ora avvolto da molecole d'acqua, incidere pozzi su scala nanometrica nel fosfuro di indio.

Ma a 440 gradi Celsius (824 gradi Fahrenheit) e oltre, si sono formati lunghi nanocanali a forma di V. I canali seguivano percorsi rettilinei dettati dal reticolo di atomi che si ripeteva regolarmente nel semiconduttore cristallino. Durante il processo, gli atomi di indio e fosforo interagiscono con gli atomi di ossigeno nelle molecole d'acqua sulla superficie della gocciolina di lega d'oro. L'indio ossidato e il fosforo evaporano, e la goccia avanza, raccogliendo più atomi di semiconduttore da ossidare man mano che procede.

Il risultato è una serie di boschetti cristallini. Le dimensioni delle scanalature corrispondono alla dimensione della goccia, che può essere controllato.

In effetti, la goccia è l'equivalente chimico della coclea su uno spazzaneve che, invece della neve, scava attraverso la parte superiore del semiconduttore ed espelle i bit evaporati, Nikoobakt spiega.

Il team ha osservato gli stessi fenomeni nel fosfuro di gallio e nell'arseniuro di indio, altri due esempi di semiconduttori formati dalla combinazione di elementi della terza e della quinta colonna della tavola periodica. I semiconduttori composti di questa classe vengono utilizzati per realizzare LED, e per le comunicazioni, elettronica ad alta velocità e molte altre applicazioni. Nikoobakt crede che, con aggiustamenti, il processo di incisione potrebbe funzionare anche per creare modelli di canali su silicio e altri materiali.

Controllabile, veloce e flessibile, il processo di fabbricazione del canale "dal basso verso l'alto" mostra la promessa per l'uso su scala industriale, suggeriscono i ricercatori. Nel loro articolo, le squadre descrivono come hanno usato il processo per incidere modelli di canali cavi come quelli usati per dirigere il flusso di liquidi, come un campione di sangue, in un dispositivo microfluidico, o laboratorio su un chip.