(PhysOrg.com) - En enkel teknik för att stämpla mönster som är osynliga för det mänskliga ögat på en speciell klass av nanomaterial ger en ny, kostnadseffektivt sätt att producera nya enheter inom områden som sträcker sig från läkemedelsleverans till solceller.

Tekniken utvecklades av Vanderbilt University -ingenjörer och beskrivs i omslagsartikeln i majnumret av tidskriften Nano bokstäver .

Den nya metoden fungerar med material som är fyllda med små hålrum som ger dem unika optiska, elektrisk, kemiska och mekaniska egenskaper. Tänk dig en stel, svampliknande material fyllt med hål som är för små för att se utan ett speciellt mikroskop.

Under ett antal år har forskare har undersökt användningen av dessa material - kallade porösa nanomaterial - för ett brett spektrum av applikationer, inklusive läkemedelsleverans, kemiska och biologiska sensorer, solceller och batterielektroder. Det finns nanoporösa former av guld, kisel, aluminiumoxid, och titanoxid, bland andra.

Enkel stämpling

Ett stort hinder för att använda materialen har varit komplexiteten och kostnaden för behandlingen som krävs för att göra dem till enheter.

Nu, Docent i elektroteknik Sharon M. Weiss och hennes kollegor har utvecklat en snabb, billiga präglingsprocesser som kan stryka ut en mängd olika nanodatorer från dessa spännande material.

”Det är fantastiskt hur enkelt det är. Vi gjorde vårt första avtryck med en vanlig bordsskiva, ”Sa Weiss. "Och upplösningen är förvånansvärt bra."

De traditionella strategierna som används för att göra enheter av nanoporösa material är baserade på processen som används för att göra datorchips. Detta måste göras i ett särskilt rent rum och innebär att måla ytan med ett speciellt material som kallas en resist, att utsätta den för ultraviolett ljus eller skanna ytan med en elektronstråle för att skapa önskat mönster och sedan applicera en serie kemiska behandlingar för att antingen gravera ytan eller lägga ner nytt material. Ju mer komplicerat mönstret, ju längre tid det tar att göra.

För ungefär två år sedan, Weiss fick idén att skapa färdiga frimärken med hjälp av den komplexa processen och sedan använda frimärkena för att skapa enheterna. Weiss kallar den nya metoden direkt prägling av porösa substrat (DIPS). DIPS kan skapa en enhet på mindre än en minut, oavsett dess komplexitet. Än så länge, hennes grupp rapporterar att den har använt masterstämplar mer än 20 gånger utan några tecken på försämring.

Processen kan producera nanoskala mönster

Det minsta mönster som Weiss och hennes kollegor har gjort hittills har funktioner på bara några tiotals nanometer, som är ungefär lika stor som en enda fettsyramolekyl. De har också lyckats prägla det minsta mönstret som rapporterats i nanoporöst guld, en med funktioner på 70 nanometer.

Den första enheten gruppen gjorde är en ”diffraktionsbaserad” biosensor som kan konfigureras för att identifiera en mängd olika organiska molekyler, inklusive DNA, proteiner och virus. Enheten består av ett galler tillverkat av poröst kisel behandlat så att en målmolekyl kommer att hålla fast vid det. Sensorn exponeras för en vätska som kan innehålla målmolekylen och sköljs sedan bort. Om målet var närvarande, sedan fastnar några av molekylerna i gallret och förändrar mönstret för reflekterat ljus som produceras när gallret belyses med en laser.

Enligt forskarnas analys, när en sådan biosensor är tillverkad av nanoporöst kisel är den känsligare än de som är gjorda av vanligt kisel.

Weiss-gruppen samarbetade med kollegor inom kemisk och biomolekylär teknik för att använda den nya tekniken för att göra nanomönstrade kemiska sensorer som är tio gånger känsligare än en annan typ av kommersiell kemisk sensor som kallas Klarite som är grunden för en mångmiljonmarknad.

Forskarna har också visat att de kan använda stämplarna för att göra exakt formade mikropartiklar genom en process som kallas "överstämpling" som i huvudsak skär igenom det nanoporösa lagret för att frigöra partiklarna från substratet. En möjlig applikation för mikropartiklar som görs på detta sätt från nanoporöst kisel är som anoder i litiumjonbatterier, vilket kan öka deras kapacitet avsevärt utan att lägga till mycket vikt.

Vanderbilt University har ansökt om patent på DIPS -metoden.