Forskare vid University of Pennsylvania, University of Wisconsin-Madison och IBM Research-Zürich har tillverkat en ultraskarp, diamantliknande kolspets som har så hög hållfasthet att den är 3, 000 gånger mer slitstark på nanoskala än kisel.

Slutresultatet är ett diamantliknande kolmaterial massproducerat i nanoskala som inte slits. Den nya spetsen i nanostorlek, forskare säger, slits bort med en hastighet av en atom per mikrometer glidning på ett substrat av kiseldioxid, mycket lägre än den för en kiseloxidspets som representerar den senaste tekniken. Består av kol, väte, kisel och syre gjutna till formen av en spets i nanostorlek och integrerade i änden av en kiselmikrokant för användning i atomkraftsmikroskopi, materialet har tekniska implikationer för atomavbildning, sondbaserad datalagring och som nya applikationer som nanolitografi, nanometrologi och nanotillverkning.

Vikten av upptäckten ligger inte bara i dess storlek och motståndskraft mot slitage utan också i det hårda underlaget mot vilket den visade sig fungera bra i glidkontakt:kiseldioxid. Eftersom kisel - som används i nästan alla integrerade kretsar - oxiderar i atmosfären och bildar ett tunt lager av dess oxid, detta system är det mest relevanta för nanolitografi, nanometrologi och nanotillverkning.

Sondbaserade teknologier förväntas spela en dominerande roll i många sådana teknologier; dock, dålig slitageprestanda för många material när de glider mot kiseloxid, inklusive kiseloxid själv, har starkt begränsad användbarhet för laboratoriet.

Forskare byggde materialet från grunden, snarare än att belägga en spets i nanoskala med slitstarka material. Samarbetet använde en gjutningsteknik för att tillverka monolitiska spetsar på standard kiselmikrokonsoler. En bulkbearbetningsteknik som har potential att skala upp för kommersiell tillverkning är tillgänglig.

Robert Carpick, professor vid institutionen för maskinteknik och tillämpad mekanik vid Penn, och hans forskargrupp hade tidigare visat att kolbaserade tunna filmer, inklusive diamantliknande kol, hade låg friktion och slitage på nanoskala; dock, det har varit svårt att tillverka strukturer i nanoskala gjorda av diamantliknande kol fram till nu.

Att förstå friktion och slitage på nanoskala är viktigt för många applikationer som involverar komponenter i nanoskala som glider på en yta.

"Det är inte klart att material som är slitstarka i makroskala uppvisar samma egenskaper i nanoskala, " huvudförfattare Harish Bhaskaran, som var postdoktor vid IBM under studien, sa.

Defekter, sprickor och andra fenomen som påverkar materialstyrka och slitage i makroskopiska skalor är mindre viktiga på nanoskala, det är därför nanotrådar kan, till exempel, visar högre styrka än bulkprover.

Studien publiceras i den aktuella upplagan av tidskriften Naturens nanoteknik .