Tillverkningen av tredimensionella nanostrukturerade material-sådana som har distinkta former och strukturer i skalor på några miljardelar av en meter-har blivit ett bördigt forskningsområde, producera material som är användbara för elektronik, fotonik, fonologi och biomedicinsk utrustning. Men metoderna för att tillverka sådana material har varit begränsade i den 3D-komplexitet de kan producera. Nu, ett MIT-team har hittat ett sätt att producera mer komplicerade strukturer genom att använda en blandning av nuvarande "top-down" och "bottom-up" metoder.

Arbetet beskrivs i en uppsats som publicerades i juni i tidningen Nano bokstäver , medförfattare av postdoc Chih-Hao Chang; George Barbastathis, Singapore Research Professor i optik och professor i maskinteknik; och sex MIT -studenter.

Ett tillvägagångssätt för att göra tredimensionella nanostrukturer-ett top-down-tillvägagångssätt-kallas fasskiftande litografi, i vilken en tvådimensionell mask formar ljusintensiteten som lyser på ett lager av fotoresistmaterial (på samma sätt som en fotografisk negativ styr mängden ljus som når olika delar av ett tryck). Fotoresisten ändras endast i de områden som ljuset når. Dock, detta tillvägagångssätt kräver mycket exakt tillverkade fasmasker, som är dyra och tidskrävande att göra.

En annan metod-ett bottom-up-tillvägagångssätt-är att använda självmonterande kolloidala nanopartiklar som bildar sig till vissa energiskt gynnsamma, nära packade arrangemang. Dessa kan sedan användas som en mask för fysiska deponeringsmetoder, såsom ångavsättning, eller etsning av ytan, att producera 2-D strukturer, precis som en stencil kan användas för att kontrollera var färgen når en yta. Men dessa metoder är långsamma och begränsade av defekter som kan bildas i självmonteringsprocessen, så även om de kan användas för tillverkning av 3D-strukturer, detta försvåras eftersom eventuella defekter sprider sig genom skikten.

"Vi gör lite av båda, "Chang säger." Vi tog en kemist metod och tillsatte i en smak av teknik. "

Den nya metoden är en hybrid där den självmonterade gruppen produceras direkt på ett substratmaterial, utför funktionen av en mask för litografiprocessen. De enskilda nanopartiklarna som monteras på ytan fungerar var och en som små linser, fokusera strålen till ett intensitetsmönster som bestäms av deras placering på ytan. Metoden, författarna säger i sitt papper, "kan implementeras som en ny teknik för att tillverka komplexa 3D-nanostrukturer inom alla områden inom nanoskala-forskning."

Beroende på formerna och arrangemangen för de små glaspärlorna de använder för den självmonterade delen av processen, det är möjligt att skapa en stor variation av strukturer, "från hål till stolpar med högre densitet, ringar, blommiga strukturer, alla använder exakt samma system, "Säger Chang." Det är ett mycket enkelt sätt att göra 3D-nanostrukturer, och förmodligen det billigaste sättet just nu. Du kan använda den till många saker. "

Lagmedlemmar, vars specialitet är inom optik, säg att de första strukturerna de planerar att göra är fotoniska kristaller, vars struktur kan manipulera beteendet hos ljusstrålar som passerar genom dem. Men metoden kan också användas för att göra fononiska material, som styr vågor av värme eller ljud, eller till och med för att göra filter med exakt kontrollerad porositet, som kan ha biomedicinska tillämpningar.

John Rogers SM '92, PhD '95, en professor i materialvetenskap och teknik och professor i kemi vid University of Illinois i Urbana-Champaign som inte var inblandad i detta arbete, säger att dessa MIT -forskare har funnit "ett anmärkningsvärt enkelt sätt att göra en mycket svår sak i nanofabrication, d.v.s. att skapa storskalig, tredimensionella nanostrukturer med användbara former. "

Rogers säger, "Den experimentella enkelheten, och den resulterande tillgången till strukturer som skulle vara svåra eller omöjliga att uppnå på andra sätt, föreslå att tillvägagångssättet kommer att vara användbart för många tillämpningsområden, allt från fotoniska kristaller till konstruerade filtermembran och andra. "