(PhysOrg.com) - Forskare vid University of Pennsylvania, University of Wisconsin-Madison och IBM Research-Zürich har tillverkat en ultraslip kiselkarbidspets med så hög hållfasthet att den är tusentals gånger mer slitstark i nanoskala än tidigare konstruktioner. Det nya tipset, vilket är 100, 000 gånger mindre än spetsen på en penna, representerar ett viktigt steg mot nanotillverkning för applikationer, inklusive biosensorer för vård och miljö.

Sökandet efter hårda material för att förlänga livslängden för vassa verktyg är ett gammalt problem som började med de första mejslarna som användes vid stenhuggning. Så småningom upptäcktes järn och stålverktyg revolutionerade eran. I dag, utmaningen förblir densamma, men i en mycket mindre skala-behovet av en nanostorlek som är både extremt skarp, men ändå fysiskt robust, särskilt under extrema temperaturer och hårda kemiska miljöer.

"Drömspetsmaterialet för termomekanisk nanofabrikation bör ha en hög hårdhet, temperaturstabilitet, kemisk tröghet, och hög värmeledningsförmåga, "sade Dr Mark Lantz, chef för lagringsforskning på IBM Research - Zürich. "Med detta nya tips fortsätter vi att leverera IBMs vision om ett smartare, instrumenterad värld med mikroskopiska sensorer som övervakar allt från vattenföroreningar till patientvård. "

Förlängning av deras tidigare framgångsrika samarbete, forskare vid University of Pennsylvania, University of Wisconsin -Madison och IBM Research - Zürich har utvecklat en ny, resistent nanostorlek som slits med en hastighet av mindre än en atom per millimeter glidning på ett kiseldioxidunderlag. Detta är mycket lägre än slithastigheten för konventionella kiselspetsar och dess hårdhet är 100 gånger större än för de tidigare toppmoderna kiseloxiddopade diamantliknande kolspetsarna som utvecklades av samma samarbete förra året.

"Jämfört med vårt tidigare arbete inom kisel, den nya hårdmetallspetsen kan glida på en kiseldioxidyta cirka 10, 000 gånger längre innan samma slitvolym uppnås och 300 gånger längre än vår tidigare diamantliknande kolspets. Detta är en betydande prestation som kommer att göra nanotillverkning både praktisk och prisvärd, "sade professor Robert W. Carpick, University of Pennsylvania.

För att skapa det nya tipset, forskare utvecklade en process där ytorna på nanoskala kiselspetsar exponeras för koljoner och sedan glödgas så att ett starkt kiselkarbidlager bildas, men nanoskala -skärpan för den ursprungliga kiselspetsen bibehålls. Även om kiselkarbid länge har varit känt som ett idealiskt kandidatmaterial för sådana tips, den unika kolimplanterings- och glödgningsprocessen gjorde det möjligt att härda ytan samtidigt som den ursprungliga formen bibehölls och säkerställer stark vidhäftning mellan den härdade ytan på spetsen och det underliggande materialet-liknande hur stål härdas för att göra det svårare.

Består främst av kol och kisel, spetsen är vässad till en nanostorlek och integrerad på slutet av en kiselmikrokran för användning i atomkraftsmikroskopi. Vikten av utvecklingen ligger inte bara i dess förmåga att behålla spetsens skärpa och dess motståndskraft mot slitage, men också i sin uthållighet när den glider mot ett hårt underlag som kiseldioxid. Eftersom kisel-används i nästan alla integrerade kretsar-oxiderar i atmosfären, bildar ett tunt lager av dess oxid, detta system är bland det mest relevanta för framväxande applikationer inom nanolitografi och nanotillverkningstillämpningar.

Mer specifikt, forskare hoppas att det nya tipset kan användas för att tillverka biosensorer, till exempel för att hantera glukosnivåer hos diabetespatienter eller övervaka föroreningsnivåer i vatten.

Sondbaserad teknik förväntas spela en dominerande roll i många sådana tekniker. Dock, dålig slitstyrka hos spetsmaterialen som hittills använts, särskilt när det glider mot kiseloxid, har tidigare begränsat deras användbarhet för experimentella tillämpningar.

Nästa steg för forskare är att börja testa det nya tipset för användning i applikationer, börjar med nanotillverkning.

Studien, publicerad idag i den granskade tidskriften Avancerade funktionella material , genomfördes tillsammans av Dr Mark A. Lantz och Dr Bernd Gotsmann, IBM Research - Zürich; Tevis D. B. Jacobs, Dr Papot Jaroenapibal, Professor Robert W. Carpick, University of Pennsylvania; och Sean D. O'Connor och prof. Kumar Sridharan, University of Wisconsin.