Zone di cattura (CZ) costruite per circondare isole 2-D (rettangoli neri) formate per deposizione su una superficie perfetta. I confini della CZ sono indicati da linee sottili. Le CZ coprono o tassellano completamente la superficie con una CZ per isola. In giallo è mostrata una piccola CZ formata direttamente dalla nucleazione di una nuova isola vicino al centro di un triangolo di isole esistenti. Un'altra piccola CZ formata dal corralling dell'isola centrale è mostrata in blu. Il riquadro inferiore mostra come la nucleazione di una nuova isola (alla X) modifica la distribuzione CZ. Il riquadro superiore mostra la distribuzione delle aree CZ in scala. Credito:Yong Han, Maozhi Li e James W. Evans
Gli scienziati della Iowa State University hanno sviluppato una nuova formulazione che aiuta a spiegare l'autoassemblaggio degli atomi in nanocluster ea far progredire la comprensione scientifica delle relative nanotecnologie. La loro ricerca offre un quadro teorico per spiegare la relazione tra la distribuzione delle "zone di cattura, " le regioni che circondano le "isole" su scala nanometrica formate per deposizione su superfici, e il sottostante processo di nucleazione o formazione.
La nanotecnologia coinvolge scienza e ingegneria delle dimensioni di un nanometro, o un miliardesimo di metro. È stato fondamentale per lo sviluppo di innovazioni come i pannelli solari a film sottile, batterie migliorate e sensori a basso costo.
L'autoassemblaggio di atomi in nanocluster è un argomento di notevole interesse per i nanotecnologi perché offre il potenziale per creare sistemi nanostrutturati con potenziamento magnetico, proprietà catalitiche e plasmoniche che hanno molte applicazioni industriali.
"Se hai la capacità di controllare questi processi di autoassemblaggio per dirigere la morfologia e la disposizione spaziale di queste nanostrutture, poi potrai valorizzare gli immobili che ti interessano, " ha detto James W. Evans, professore di fisica alla Iowa State University.
Evans e la sua squadra, finanziati dalla National Science Foundation, dettaglio il loro approccio questa settimana in Il Giornale di Fisica Chimica .
Mentre la comunità scientifica fisica aveva precedentemente considerato la distribuzione dimensionale delle isole nucleate durante l'autoassemblaggio degli atomi depositati, la discussione più recente si è incentrata sulla distribuzione delle zone di cattura delle isole. Evans e i suoi collaboratori si sono concentrati sulla creazione di una base teorica per comprendere come si sviluppano le piccole zone di cattura. Il loro sviluppo ha importanti implicazioni per determinare le dimensioni che un'isola nucleata deve raggiungere per diventare stabile. La loro analisi combina equazioni di velocità con elementi di geometria stocastica.
Una delle numerose intuizioni significative emerse dalla loro ricerca è stata l'importanza della posizione spaziale degli eventi di nucleazione rispetto alle zone di cattura e alle isole esistenti nella formazione di nuovi, zone di cattura più piccole.
"Se nucleate proprio nel mezzo di una tripletta di isole che sono molto più vicine di quanto sia tipico, la zona di cattura della nuova isola che si crea è molto più piccola della dimensione media, " ha detto Evans. Per enfatizzare questa relazione di come la dimensione delle zone di cattura e la loro distribuzione risultante potrebbero essere influenzate dalla nucleazione, il loro lavoro mostra la relazione di come la dimensione delle zone di cattura e la loro distribuzione risultante potrebbero essere influenzate dalla nucleazione.
Evans e il suo team hanno incluso uno studio teorico sulla distribuzione della zona di cattura (CZD) delle isole compatte, inclusa una derivazione di un'equazione per la funzione di scala della distribuzione della zona di cattura. Oltre ai risultati teorici, gli autori hanno incluso i risultati della simulazione utilizzando Kinetic Monte Carlo per confermare le previsioni della distribuzione dell'isola e del comportamento in scala, ottenendo in generale un buon accordo tra risultati teorici e numerici. Le formulazioni di Evans e collaboratori evidenziano l'importanza dei sottili dettagli spaziali del processo di nucleazione, e specificamente di grandezze correlate come le probabilità di sovrapposizione intrinseche e la distribuzione frazionaria di sovrapposizione. Queste quantità hanno ricevuto un'attenzione limitata in passato, ma la loro forma dettagliata è importante in quanto influisce su quella della CZD.
Una delle sfide di questa ricerca è che si concentra su un sistema lontano dall'equilibrio, che sfida molti dei metodi analitici convenzionali utilizzati dagli scienziati fisici.
"Il fatto che questo sia un sistema lontano dall'equilibrio significa che non ci sono strumenti teorici standard che puoi applicare per analizzare il processo, " ha spiegato Evans.
Ancora, con ampie simulazioni che riflettono esperimenti di deposizione tipicamente condotti in camere a vuoto ultraelevato, Evans e il suo team sono riusciti a sviluppare un quadro per spiegare come vengono generate zone di cattura più piccole. Gli scienziati sperano che il loro lavoro spinga altri ricercatori a esaminare la questione delle distribuzioni dell'area delle zone di cattura, perché le intuizioni collettive generate faranno avanzare la comprensione da parte della più ampia comunità scientifica di come si assemblano i nanocluster.
