Strutture delicate stampate da scienziati dei materiali presso la Rice University come si vede nelle immagini al microscopio. La sinterizzazione li trasforma in vetro o cristobalite. Credito:Laboratorio di nanomateriali, nanomeccanica e nanodispositivi
Grazie agli ingegneri della Rice University è ora possibile tessere intricati modelli microscopici di cristallo o vetro.
Gli scienziati dei materiali di riso stanno creando nanostrutture di silice con una sofisticata stampante 3D, dimostrando un metodo per realizzare dispositivi elettronici, meccanici e fotonici su micro scala dal basso verso l'alto. I prodotti possono essere drogati e le loro strutture cristalline messe a punto per varie applicazioni.
Lo studio condotto da Jun Lou, professore di scienza dei materiali e nanoingegneria presso la George R. Brown School of Engineering, appare in Nature Materials .
L'industria elettronica si basa sul silicio, il substrato semiconduttore di base per i microprocessori da decenni. Lo studio Rice affronta i limiti della produzione top-down ribaltando il processo.
"È molto difficile realizzare geometrie tridimensionali complicate con le tradizionali tecniche di fotolitografia", ha detto Lou. "Inoltre non è molto 'verde' perché richiede molte sostanze chimiche e molti passaggi. E anche con tutto questo sforzo, alcune strutture sono impossibili da realizzare con quei metodi.
"In linea di principio, possiamo stampare forme 3D arbitrarie, che potrebbero essere molto interessanti per realizzare dispositivi fotonici esotici", ha affermato. "Questo è ciò che stiamo cercando di dimostrare."
Uno schema in sezione mostra il processo di stampa abilitato a due fotoni per strutture di silice con una risoluzione inferiore a 200 nanometri. Credito:Laboratorio di nanomateriali, nanomeccanica e nanodispositivi
Il laboratorio utilizza un processo di polimerizzazione a due fotoni per stampare strutture con linee larghe solo diverse centinaia di nanometri, più piccole della lunghezza d'onda della luce. I laser "scrivono" le linee spingendo l'inchiostro ad assorbire due fotoni, avviando la polimerizzazione radicalica del materiale.
"La normale polimerizzazione coinvolge monomeri polimerici e fotoiniziatori, molecole che assorbono la luce e generano radicali liberi", ha affermato Boyu Zhang, studente laureato alla Rice e co-autore principale del processo che utilizza comunemente la luce ultravioletta nella stampa 3D e per curare i rivestimenti e nelle applicazioni dentali.
"Nel nostro processo, i fotoiniziatori assorbono due fotoni contemporaneamente, il che richiede molta energia", ha affermato. "Solo un piccolissimo picco di questa energia provoca la polimerizzazione, e questo in uno spazio molto piccolo. Ecco perché questo processo ci permette di andare oltre il limite di diffrazione della luce."
Il processo di stampa ha richiesto al laboratorio Rice di sviluppare un inchiostro unico. Zhang e il co-autore principale Xiewen Wen, un alunno di Rice, hanno creato resine contenenti nanosfere di biossido di silicio drogate con polietilenglicole per renderle solubili.
Dopo la stampa, la struttura viene solidificata mediante sinterizzazione ad alta temperatura, che elimina tutto il polimero dal prodotto, lasciando vetro amorfo o cristobalite policristallina. "Quando riscaldato, il materiale passa attraverso fasi dal vetro al cristallo, e maggiore è la temperatura, più ordinati diventano i cristalli", ha detto Lou.
Il laboratorio ha anche dimostrato di drogare il materiale con vari sali di terre rare per rendere i prodotti fotoluminescenti, una proprietà importante per le applicazioni ottiche. Il prossimo obiettivo del laboratorio è perfezionare il processo per ottenere una risoluzione inferiore a 10 nanometri.
I coautori dell'articolo sono l'assistente ricercatore della Rice Hua Guo, i ricercatori Guanhui Gao e Xiang Zhang, l'allievo Yushun Zhao e gli studenti laureati Qiyi Fang e Christine Nguyen; Alumnus di Rice Fan Ye della Tsinghua University, Pechino; Shuai Yue, ex allievo dell'Università di Houston, ora ricercatore post-dottorato presso l'Accademia cinese delle scienze; e Jiming Bao, professore di ingegneria elettrica e informatica all'Università di Houston. + Esplora ulteriormente
