(PhysOrg.com) -- Forskare vid California Institute of Technology har genomfört experiment som bekräftar vilken av tre möjliga mekanismer som är ansvarig för den spontana bildandet av tredimensionella (3-D) pelaruppsättningar i nanofilmer (polymerfilmer som är miljarddelar av en meter tjock). Dessa utsprång uppträder plötsligt när ytan på en smält nanofilm utsätts för en extrem temperaturgradient och självorganiseras till sexkantiga, lamellär, fyrkant, eller spiralmönster.

Detta okonventionella sätt att mönstra filmer utvecklas av Sandra Troian, professor i tillämpad fysik, aeronautik, och maskinteknik på Caltech, som använder modulering av ytkrafter för att forma och forma flytande nanofilmer till 3D-former. "Mitt slutmål är att utveckla en svit av 3-D litografiska tekniker baserade på fjärrkontroll, digital modulering av termisk, elektrisk, och magnetiska ytkrafter, ", säger Troian. Bekräftelsen av den korrekta mekanismen har gjort det möjligt för henne att härleda den maximala upplösningen eller minsta storleken på funktioner som i slutändan är möjliga med dessa mönstertekniker.

I Troians metod, godtyckliga former skulpteras först från en smält film av ytkrafter och stelnar sedan omedelbart in situ genom att kyla provet. "Dessa tekniker är idealiska för tillverkning av optiska eller fotoniska komponenter som uppvisar ultrasläta gränssnitt, " förklarar hon. Processen introducerar också en del intressant ny fysik som bara blir uppenbar på nanoskala. "Även i Lilliputians land, dessa krafter är i bästa fall ynkliga – men i nanoskala eller ännu mindre, de styr världen, " hon säger.

Experimenten som ledde till denna upptäckt lyftes fram på omslaget till tidskriftens 29 april-utgåva Fysiska granskningsbrev .

Experimenten, utformad för att isolera fysiken bakom processen, är i bästa fall utmanande. Installationen kräver två smidiga, platta underlag, som endast är åtskilda av några hundra nanometer, att förbli perfekt parallell över avstånd på en centimeter eller mer.

En sådan experimentell uppställning ger flera svårigheter, inklusive att "inget substrat denna storlek är riktigt platt, Troian säger, "och till och med världens minsta termoelement är för stort för att passa in i gapet." Dessutom, hon säger, "den termiska gradienten i gapet kan överstiga värden på en miljon grader per centimeter, så installationen genomgår betydande expansion, förvrängning, och sammandragning under en typisk löpning."

Faktiskt, alla tidigare studier stod inför liknande utmaningar – vilket ledde till felaktiga uppskattningar av den termiska gradienten och oförmågan att se strukturernas bildning och tillväxt, bland andra problem. "För att komplicera saken, Troian säger, "alla tidigare data i litteraturen erhölls i mycket sena tillväxtstadier, långt bortom giltighetsregimen för de teoretiska modellerna, " säger Troian.

Caltech-experimenten löste dessa utmaningar genom att återgå till in situ-mätningar. Forskarna ersatte det övre kalla substratet med ett genomskinligt fönster tillverkat av en enkristall safir, vilket tillät dem att direkt se de utvecklande formationerna. De använde också interferometri med vitt ljus för att bibehålla parallelliteten under varje körning och för att registrera den framväxande formen och tillväxthastigheten för framväxande strukturer. Finita element-simuleringar användes också för att få mycket mer exakta uppskattningar av den termiska gradienten i det lilla gapet.

"När allt är sagt och gjort, våra resultat indikerar att denna bildningsprocess inte drivs av elektrostatisk attraktion mellan filmytan och det närliggande substratet – liknande vad som händer när du kör en kam genom håret – eller tryckfluktuationer inuti filmen från reflektioner av akustiska fononer – de kollektiva excitationerna av molekyler - som en gång trodde, Troian förklarar. "Datan passar helt enkelt inte dessa modeller, hur mycket du än försöker, " säger hon. Datan verkade inte heller passa en tredje modell baserad på filmstrukturering genom termokapillärt flöde - flödet från varmare till kallare områden som åtföljer yttemperaturvariationer.

Troian föreslog den termokapillära modellen för flera år sedan. Beräkningar för denna "kylsökande instabilitet" tyder på att nanofilmer alltid är instabila som svar på bildandet av 3D-pelarmatriser, oavsett storleken på den termiska gradienten. Små utsprång i filmen upplever en något svalare temperatur än den omgivande vätskan på grund av sin närhet till ett kallt mål. Ytspänningen på dessa spetsar är större än den för den omgivande filmen. Denna obalans genererar en mycket stark ytkraft som "drar" vätska upp och "in i den tredje dimensionen, " säger hon. Denna process ger lätt upphov till stora arrayer av gropar, åsar, pelare, och andra former. En olinjär version av modellen föreslår hur kalla stift också kan användas för att bilda mer regelbundna arrayer.

Troian var till en början besviken över att mätningarna inte stämde överens med de teoretiska förutsägelserna. Till exempel, förutsägelsen för avståndet mellan utsprången var avstängd med en faktor två eller fler. "Det slog mig att vissa egenskaper hos nanofilmen som ska matas in i modellen kan vara helt annorlunda än de litteraturvärden som erhållits från makroskopiska prover, " konstaterar hon.

Hon fick råd från maskiningenjören Ken Goodson på Stanford, en expert på termisk transport i nanofilmer, som bekräftade att han också hade märkt en betydande förbättring av värmeöverföringsförmågan hos vissa nanofilmer. Ytterligare undersökningar visade att andra grupper runt om i världen har börjat rapportera liknande förbättringar av optiska och andra egenskaper hos nanofilmer. "Och voila! ... genom att justera en nyckelparameter, " Troian säger, "vi fick perfekt överensstämmelse mellan experiment och teori. Hur coolt är det!"

Inte nöjd med dessa fynd, Troian vill lansera en separat studie för att hitta källan till dessa förbättrade egenskaper i nanofilmer. "Nu när vår horisont är klar, Jag garanterar att vi inte kommer att sitta stilla förrän vi kan tillverka några ovanliga komponenter vars form och optiska respons bara kan bildas genom en sådan process."