(PhysOrg.com) -- Ett kassaskåp, enkel, och en billig metod för att skapa perfekt etsade brunnar i mikron och mindre storlek i en mängd olika substrat har utvecklats av forskare vid Penn State Department of Chemical Engineering. Liknande mönstrade ytor tillverkas för närvarande med hjälp av komplexa och dyra fotolitografimetoder och etsningsprocesser under renrumsförhållanden och används vid tillverkning av många optiska, elektrisk, och mekaniska anordningar.

Upptäckten av nanowell gjordes i Darrell Velegols och Seong Kims labb av Velegols doktorand, Neetu Chaturvedi, och Kims doktorand, Erik Hsiao. En artikel som beskriver deras forskning, "Masklös tillverkning av nanobrunnar med kemiskt reaktiva kolloider, ” dök upp i onlineupplagan av tidskriften Nanobokstäver i januari 2011. I samarbete med Chaturvedi, Hsiao arbetade med ett projekt för att fästa polystyren på en kiselskiva för att skapa nanostrukturer med kända dimensioner. När Hsiao bad henne att värma ett av hans prover, en felaktig kommunikation ledde till att hon värmde polystyren- och kiselskivan vid låg temperatur i vatten i autoklaven som normalt används för biologiska prover snarare än i vakuumugnen. När de tittade på proverna under atomkraftmikroskopet (AFM), de märkte att hål hade bildats under polystyrenpartiklarna. Ytterligare undersökning under svepelektronmikroskopet (SEM) visade att de var perfekt etsade, pyramidformade hål i substratet under de ställen där de amidinfunktionaliserade polystyrenlatexkolloidpartiklarna hade vidhäftat kiseldioxiden på kiselskivans yta.

"Vi såg tre hål i provet vid den första AFM-avbildningen och visste inte vad det betydde eftersom vi förväntade oss pannkaksliknande polymerplåster på provet, sa Hsiao. De tog provet till sina rådgivare, som båda överraskades av det etsade rånet. Genom att gå igenom de steg eleverna hade tagit, forskarna insåg att brunnarna producerades när vattnet hydrolyserade amidingruppen i partikeln, och genom en rad kemiska reaktioner, skapade en hydroxidjon som etsade in brunnen i kiselskivan. Hålen var enhetliga och deras storlek och djup var helt beroende av storleken på den ursprungliga polystyrenpartikeln, även om orienteringen av kiselkristallen påverkade formen på brunnarna. I en riktning (100), brunnarna var perfekta fyrsidiga inverterade pyramider. I den andra orienteringen (111), brunnarna var perfekta hexagoner. De fyra forskarna kallade dem nanowells, eftersom brunnarnas bottendimension bara var ett par nanometer tvärs över. De insåg snart att de hade upptäckt en ny masklös metod för att skapa strukturer i kisel utan de utarbetade steg som normalt krävs i renrummet.

"Vi levererar hydroxidjoner direkt dit vi vill etsa, ” förklarade Velegol. "Det är mycket säkrare och billigare än elektronstråle- och röntgenlitografi. Det är så säkert att du praktiskt taget kan äta dessa partiklar utan någon skada."

"Vi tror att detta är en ganska allmän upptäckt, ” tillade Kim. "Det är ett sätt att leverera kemi lokalt snarare än i bulk. Många metaller, keramik, och andra material kan etsas med denna teknik."

En annan potentiell fördel med upptäckten är förmågan att skapa mönster på krökta ytor, något som är svårt att göra med konventionell fotolitografi. Eftersom partiklarna är suspenderade i vatten, de kan fästa på ytan av vilken form som helst och placera sig jämnt över ytan. Forskarna har precis börjat komma med spännande idéer för hur man kan använda den enkla tekniken.

Många genombrott kommer från olyckor, Velegol anmärkte, för när något är känt, folk arbetar med det väldigt snabbt tills de har fyllt i alla bitar och det finns mindre att upptäcka. Olyckor är utanför mönstret. "Det är en av de situationer som Pasteur sa där slumpen gynnar det förberedda sinnet. Vi skulle aldrig ens ha tänkt på att prova den här typen av kemi. Men Neetu hade arbetat med dessa kolloider i flera år, och Erik hade erfarenhet av AFM, så de var väl förberedda att dra fördel av olyckan, ” avslutade Velegol.