ANN ARBOR, Mich.--- Vridande spiror, koncentriska ringar, och graciöst böjande kronblad är några av de nya tredimensionella former som University of Michigans ingenjörer kan göra av kolnanorör med hjälp av en ny tillverkningsprocess.

Processen kallas "kapillärbildning, "och det drar fördel av kapillärverkan, fenomenet på jobbet när vätskor verkar trotsa gravitationen och färdas uppför ett sugrör av sig själv.

De nya miniatyrformerna, som är svåra om inte omöjliga att bygga med något material, har potential att utnyttja den exceptionella mekaniska, termisk, elektrisk, och kemiska egenskaper hos kolnanorör på ett skalbart sätt, sa A. John Hart, en biträdande professor vid institutionen för maskinteknik och i Konstindustriella högskolan.

De kan leda till sonder som kan samverka med enskilda celler och vävnader, nya mikrofluidiska enheter, och nya material med ett anpassat lapptäcke av ytstrukturer och egenskaper.

En artikel om forskningen publiceras i oktoberupplagan av Avancerade material , och finns på omslaget.

"Det är lätt att göra kolnanorör raka och vertikala som byggnader, " sa Hart. "Det har inte varit möjligt att göra dem till mer komplexa former. Att sätta samman nanostrukturer till tredimensionella former är ett av nanoteknikens huvudmål. Metoden för kapillärbildning kan tillämpas på många typer av nanorör och nanotrådar, och dess skalbarhet är mycket attraktiv för tillverkning."

Harts metod börjar med att stämpla mönster på en silikonwafer. Hans bläck i det här fallet är järnkatalysatorn som underlättar den vertikala tillväxten av kolnanorören i de mönstrade formerna. Istället för att stämpla en traditionell, enhetligt rutnät av cirklar, Hart stämplar ihåliga cirklar, halvcirklar och cirklar med mindre skurna från deras mitten. Formerna är ordnade i olika orienteringar och grupperingar. En sådan gruppering är en femhörning av halvcirklar med sina platta sidor vända utåt.

Han använder den traditionella "kemiska ångavsättningsprocessen" för att odla nanorören i de föreskrivna mönstren. Sedan suspenderar han kiselskivan med dess nanorörskog över en bägare med ett kokande lösningsmedel, såsom aceton. Han låter acetonet kondensera på nanorören, och låter sedan acetonet avdunsta.

När vätskan kondenserar, kapillära krafter slår in och förvandlar de vertikala nanorören till de invecklade tredimensionella strukturerna. Till exempel, höga halvcylindrar av nanorör böjer sig bakåt för att bilda en form som liknar en tredimensionell blomma.

"Vi programmerar bildandet av 3D-former med dessa 2D-mönster, " sa Hart. "Vi har upptäckt att startformen påverkar hur kapillärkrafterna förändrar strukturernas geometri. Vissa böjer sig, andra vrider sig, och vi kan kombinera dem hur vi vill."

Den kapillärformande processen gör det möjligt för forskarna att skapa stora partier av 3D-mikrostrukturer --- alla mycket mindre än en kubikmillimeter --- över väsentligen obegränsade ytor, sa Hart. Dessutom, forskarna visar att deras 3D-strukturer är upp till 10 gånger styvare än typiska polymerer som används i mikrotillverkning. Således, de kan användas som formar för tillverkning av samma 3D-former i andra material.

"Vi skulle vilja tro att detta öppnar upp idén om att skapa anpassade nanostrukturerade ytor och material med lokalt varierande geometrier och egenskaper, " sa Hart. "Nu, vi tänker på material som har samma egenskaper överallt, men med denna nya teknik kan vi drömma om att designa strukturen och egenskaperna hos ett material tillsammans."