Modern konstruktion är en precisionssträvan. Byggare måste använda komponenter som tillverkats för att uppfylla specifika standarder - såsom balkar av önskad sammansättning eller nitar av en specifik storlek. Byggbranschen förlitar sig på att tillverkarna skapar dessa komponenter på ett tillförlitligt och reproducerbart sätt för att kunna konstruera säkra broar och ljudskyskrapor.

Föreställ dig nu konstruktion i mindre skala – mindre än 1/100 av tjockleken på ett papper. Det här är nanoskalan. Det är i vilken skala forskare arbetar med att utveckla potentiellt banbrytande teknik inom områden som kvantberäkning. Det är också en skala där traditionella tillverkningsmetoder helt enkelt inte kommer att fungera. Våra standardverktyg, till och med miniatyriserad, är för skrymmande och för frätande för att reproducerbart tillverka komponenter på nanoskala.

Forskare vid University of Washington har utvecklat en metod som skulle möjliggöra reproducerbar tillverkning i nanoskala. Teamet anpassade en ljusbaserad teknik som används allmänt inom biologin - känd som optiska fällor eller optisk pincett - för att fungera i en vattenfri vätskemiljö av kolrika organiska lösningsmedel, vilket möjliggör nya potentiella tillämpningar.

Som laget rapporterar i en tidning publicerad 30 oktober i tidskriften Naturkommunikation , den optiska pincetten fungerar som en ljusbaserad "traktorstråle" som kan sätta ihop nanoskala halvledarmaterial exakt till större strukturer. Till skillnad från science fiction-traktorbalkarna, som griper rymdskepp, teamet använder den optiska pincetten för att fånga in material som är nästan en miljard gånger kortare än en meter.

"Detta är ett nytt tillvägagångssätt för tillverkning i nanoskala, "sa författarförfattaren Peter Pauzauskie, en UW docent i materialvetenskap och teknik, fakultetsmedlem vid Molecular Engineering &Sciences Institute och Institute for Nano-engineered Systems, och en senior forskare vid Pacific Northwest National Laboratory. "Det finns inga kammarytor involverade i tillverkningsprocessen, vilket minimerar bildningen av spänningar eller andra defekter. Alla komponenter suspenderas i lösning, och vi kan styra storleken och formen på nanostrukturen när den monteras bit för bit. "

"Genom att använda denna teknik i ett organiskt lösningsmedel kan vi arbeta med komponenter som annars skulle brytas ned eller korrodera vid kontakt med vatten eller luft, " sa co-senior författare Vincent Holmberg, en UW biträdande professor i kemiteknik och fakultetsmedlem i Clean Energy Institute och Molecular Engineering &Sciences Institute. "Organiska lösningsmedel hjälper oss också att överhetta materialet vi arbetar med, så att vi kan kontrollera materialtransformationer och driva kemi."

För att visa potentialen i detta tillvägagångssätt, forskarna använde den optiska pincetten för att bygga en ny nanotrådsheterostruktur, som är en nanotråd som består av distinkta sektioner som består av olika material. Utgångsmaterialen för nanotråds heterostrukturen var kortare "nanoroder" av kristallint germanium, var och en bara några hundra nanometer lång och tiotals nanometer i diameter – eller ungefär 5, 000 gånger tunnare än ett människohår. Varje är täckt med en metallisk vismut nanokristall.

Forskarna använde sedan den ljusbaserade "traktorstrålen" för att ta tag i en av germanium nanorods. Energi från strålen överhettar också nanorod, smälta vismutlocket. De styr sedan en andra nanorod in i "traktorbalken" och - tack vare det smälta vismutlocket i änden - löder de dem ände till ände. Forskarna kunde sedan upprepa processen tills de hade satt ihop en mönstrad nanotrådsheterostruktur med upprepade halvledar-metallövergångar som var fem till tio gånger längre än de enskilda byggstenarna.

"Vi har tagit oss an att kalla denna optiskt orienterade monteringsprocess för" fotonisk nanosoldering " - i huvudsak lödning av två komponenter på nanoskala med hjälp av ljus, sa Holmberg.

Nanotrådar som innehåller korsningar mellan material-till exempel germanium-vismut-korsningar som syntetiseras av UW-teamet-kan så småningom vara en väg till att skapa topologiska qubits för applikationer inom kvantberäkning.

Traktorstrålen är faktiskt en mycket fokuserad laser som skapar en typ av optisk fälla, en nobelprisbelönt metod som Arthur Ashkin banade väg för på 1970-talet. Hittills, optiska fällor har använts nästan uteslutande i vatten- eller vakuumbaserade miljöer. Pauzauskies och Holmbergs team anpassade optisk fällning för att fungera i den mer flyktiga miljön med organiska lösningsmedel.

"Att generera en stabil optisk fälla i vilken typ av miljö som helst är en delikat balansgång av krafter, och vi hade turen att ha två mycket begåvade doktorander som arbetade tillsammans i detta projekt, sa Holmberg.

Fotonerna som utgör laserstrålen genererar en kraft på föremål i omedelbar närhet av den optiska fällan. Forskarna kan justera laserns egenskaper så att den kraft som genereras kan antingen fånga eller släppa ett föremål, vare sig det är en enda germanium nanorod eller en längre nanotråd.

"Det här är den typ av precision som behövs för att pålitlig, reproducerbara nanotillverkningsmetoder, utan kaotiska interaktioner med andra ytor eller material som kan införa defekter eller spänningar i nanomaterial, sa Pauzauskie.

Forskarna tror att deras nanolödningsmetod kan möjliggöra additiv tillverkning av strukturer i nanoskala med olika uppsättningar av material för andra applikationer.

"Vi hoppas att denna demonstration resulterar i att forskare använder optisk fångst för manipulation och montering av en bredare uppsättning av nanoskala material, oavsett om dessa material råkar vara kompatibla med vatten eller inte, sa Holmberg.