Hai mai notato che quando scaldato un velo d'olio in una padella non rimane completamente piatto? Anziché, forma un motivo ondulato che ricorda l'esterno di un'arancia. Questo tipo di deformazioni ha ispirato un gruppo di ricercatori dell'Università tecnica di Darmstadt, in Germania, per esplorare se potrebbero essere utilizzati per migliorare e semplificare i processi di microfabbricazione.

Il film d'olio è un classico esempio di sistema idrodinamico con interfaccia liquido-gas mentre, ad esempio, le minuscole goccioline di grasso nel latte hanno un'interfaccia liquido-liquido. Film liquidi planari, come il film d'olio, sono particolarmente instabili meccanicamente e possono subire alterazioni morfologiche se non mantenuti ad una temperatura uniforme.

Solo i film liquidi sufficientemente sottili subiscono deformazioni superficiali significative in seguito all'esposizione a sollecitazioni sulla superficie, mentre modelli di flusso periodico altamente regolari si sviluppano nella maggior parte dei film più spessi quando sottoposti alle stesse sollecitazioni.

In netto contrasto con i film più sottili, i film più spessi non mostrano deformazioni superficiali significative. Così, nel contesto dello sviluppo di tecniche di microfabbricazione non convenzionali, la maggior parte degli sforzi si è concentrata sulle instabilità interfacciali dei film molto sottili.

Questi sforzi hanno indicato che è possibile ottenere modelli accentuati, ma sono purtroppo molto irregolari nella direzione di diffusione del film. Questo fondamentale inconveniente può essere ricondotto allo stesso motivo per cui un getto d'acqua che esce da un rubinetto alla fine si scompone in goccioline:la tensione superficiale.

Come il gruppo descrive in Lettere di fisica applicata , da AIP Publishing, hanno combinato il modello di convezione altamente regolare che si forma in strati più spessi con forti deformazioni interfacciali possibili solo in film liquidi molto più sottili. "A differenza dei precedenti sistemi di indirizzamento con diverse interfacce, nel nostro approccio ogni strato ha uno spessore iniziale molto diverso dall'altro, " ha detto Iman Nejati, l'autore principale del documento e un dottorato di ricerca. studente presso l'Istituto di Nano e Microfluidica, Centro di interfacce intelligenti, TU Darmstadt.

Questo approccio consiste essenzialmente nell'interporre un sottile film di olio sensibile all'irradiazione con luce ultravioletta (UV) tra un substrato planare solido e uno strato molto più spesso di un altro liquido immiscibile. Ciò implica che il sistema non ha solo un'interfaccia liquido-gas come esempio iniziale del film d'olio in una padella, ma anche un'interfaccia liquido-liquido.

"L'esposizione di questo sistema multistrato a una differenza di temperatura sorprendentemente piccola nella direzione della stratificazione provoca sollecitazioni all'interfaccia liquido-gas a causa di una tensione superficiale dipendente dalla temperatura, " ha detto Nejati. "Questi stress guidano i modelli di flusso cellulare rotante nello strato più spesso, che sono altamente periodici nella direzione di diffusione di quello strato."

Piuttosto che utilizzare le sollecitazioni causate dalla tensione superficiale dipendente dalla temperatura direttamente per modellare il film, l'approccio del gruppo si basa sul modello di flusso nello strato più spesso per deformare il film più sottile sottostante.

Questa strategia consente di "modellare grandi aree con strutture altamente regolari in modo parallelo - tutte le strutture sono fabbricate contemporaneamente - in un'unica fase del processo, che fa risparmiare tempo e riduce i costi, " ha spiegato Nejati. "Poiché le strutture sono generate da un liquido, senza attrezzi che entrano in contatto meccanico con il materiale di lavoro, la superficie è molto liscia e non necessita di ulteriori lavorazioni."

E progettando la distribuzione della temperatura lungo l'interfaccia liquido-gas dello strato più spesso, le celle di convezione e deformazione del film sottile possono essere adattate per soddisfare le specifiche di una struttura di interesse desiderata. Una volta ottenuta la deformazione desiderata, è "congelato" sul posto mediante irradiazione con luce UV.

La combinazione delle caratteristiche vantaggiose nominate della nuova tecnica è altamente desiderabile perché tutte le comuni tecnologie di microfabbricazione, inclusa la fotolitografia, stampa, o goffratura, non soddisfano almeno uno di questi criteri. "Data la relativa semplicità delle attrezzature necessarie per il nostro metodo, e quanto facilmente si adatta a situazioni specifiche, può essere utilizzato anche per la produzione di prodotti di bassa quantità, " Ha aggiunto Nejati.

Quali applicazioni prevede il gruppo per il loro metodo? Per i principianti, è ideale per la fabbricazione di array di microlenti. "Questi array migliorano localmente l'intensità della luce e possono essere utilizzati dall'industria dell'ottica in sistemi di imaging integrali, fotolitografia non convenzionale, e impianti fotovoltaici, " ha spiegato Nejati. "Per il fotovoltaico, una serie di lenti posizionate sopra una cella solare può fungere da collettore di luce per migliorare l'efficienza del sistema fotovoltaico rendendolo meno sensibile all'angolo di inclinazione della luce solare rispetto alla superficie della cella." Il metodo del gruppo potrebbe essere facilmente integrato nel processo di fabbricazione delle celle solari.

Nel futuro prossimo, "non ci sarà bisogno diretto di solidificare le strutture mediante luce UV, " ha osservato. "Invece, la serie di lenti può rimanere allo stato liquido, che ci permette di modificare la periodicità delle lenti liquide se, dire, la differenza di temperatura che guida le celle di convezione è variata. Ciò dovrebbe contribuire allo sviluppo di array di lenti sintonizzabili".