Le tecniche di produzione additiva con precisione atomica potrebbero un giorno creare materiali con flessibilità Lego e robustezza Terminator, secondo i ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy.

In un articolo di revisione pubblicato su ACS Nano , Olga Ovchinnikova e colleghi forniscono una panoramica dei percorsi esistenti verso i materiali 3D, ma l'obiettivo finale è creare e personalizzare il materiale su scala atomica. Il materiale sarebbe assemblato atomo per atomo, proprio come i bambini possono usare i Lego per costruire un'auto o un castello mattone dopo mattone. Questo concetto, noto come materia diretta, potrebbe portare a materiali e prodotti virtualmente perfetti perché verrebbero eliminati molti limiti delle tecniche di produzione convenzionali.

"Essere in grado di assemblare la materia atomo per atomo in 3-D ci consentirà di progettare materiali più resistenti e leggeri, più robusto in ambienti estremi e fornisce soluzioni economiche per l'energia, chimica e informatica, " ha detto Ovchinnikova.

Fondamentalmente, la materia diretta elimina la necessità di rimuovere il materiale indesiderato mediante litografia, incisione o altri metodi tradizionali. Questi processi hanno servito bene la società, i ricercatori hanno notato, ma la prossima generazione di materiali e prodotti richiede un nuovo approccio.

"Per la stragrande maggioranza della storia registrata, la trasformazione materiale era limitata agli oggetti visibili ad occhio nudo e modellati utilizzando strumenti manuali, " scrivono i ricercatori. "Possiamo ammirare la maestria della scrittura del chicco di riso, o fine incisione su una lama di spada pregiata, ma solo due o tre ordini di grandezza separano questi capolavori dalla tecnologia dell'età della pietra".

Ora, con la capacità di dirigere la materia con precisione atomica, la ricompensa potrebbe essere computer quantistici, telefoni cellulari con più memoria dati e intervalli più lunghi tra le ricariche, celle solari ad alta efficienza, e materiali leggeri più resistenti e meno costosi.

"In realtà è difficile prevedere dove potrebbe andare e come questa tecnologia potrebbe cambiare le nostre vite, ma abbiamo intenzione di scoprire, " ha detto Ovchinnikova.

Utilizzando il calcolo e la modellazione, i ricercatori possono concepire con precisione, prevedere, creare e controllare le proprietà elettriche e di altro tipo di un materiale invece di dover scendere a compromessi. L'autore principale Stephen Jesse ha osservato che l'approccio alla materia diretta si basa su decenni di ricerca e utilizza strumenti originariamente progettati per esaminare i materiali per fabbricarne di nuovi con una risoluzione delle caratteristiche inferiore ai 10 nanometri (10 miliardesimi di metro).

Per esempio, il microscopio elettronico a trasmissione, sviluppato negli anni '30, ha permesso l'imaging a singolo atomo, imaging di deformazione chimica e mappatura strutturale a livello di picometro. Dal suo inizio, però, l'interazione del fascio materia doveva essere gestita per prevenire "danni al fascio, "un ostacolo agli studi fondamentali, hanno detto i ricercatori.

"Però, questa interazione, combinata con l'imaging della microscopia elettronica - e recentemente ionica - può essere utilizzata come base per una prossima generazione di strumenti di nanofabbricazione, " disse Jesse.

Il documento fornisce riassunti di diverse altre alternative per la fabbricazione atomicamente precisa di materiali 3D basati su fasci di elettroni e ioni, compresa l'elaborazione focalizzata indotta da fascio di elettroni da precursori gassosi e precursori liquidi.