En ny lågkostnad, högupplösta verktyg är redo att revolutionera hur nanoteknik produceras från skrivbordet, enligt en ny studie av forskare vid Northwestern University.

För närvarande, det mesta av nanotillverkning sker i centraliserade anläggningar för flera miljarder dollar som kallas gjuterier. Detta liknar att skriva ut dokument i centraliserade tryckerier. Överväga, dock, hur den stationära skrivaren revolutionerade överföringen av information genom att tillåta individer att billigt skriva ut dokument efter behov. Detta paradigmskifte är anledningen till att det har funnits en gemenskapsomfattande ambition inom nanovetenskapen att skapa ett verktyg för nanotillverkning för skrivbordet.

"Med detta genombrott, vi kan konstruera material och enheter av mycket hög kvalitet, såsom bearbetning av halvledare över stora ytor, och vi kan göra det med ett instrument som är något större än en skrivare, " sa Chad A. Mirkin, senior författare till studien och en världskänd pionjär inom området nanovetenskap.

Mirkin är George B. Rathmann professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences och professor i medicin, kemisk och biologisk ingenjörskonst, biomedicinsk teknik och materialvetenskap och teknik. Han är också chef för Northwesterns International Institute for Nanotechnology.

Studien kommer att publiceras den 19 juli i tidskriften Naturkommunikation .

Verktyget som Mirkins team har skapat producerar fungerande enheter och strukturer på nanoskalanivå på några timmar, precis vid användningsstället. Det är nanotillverkningsmotsvarigheten till en stationär skrivare.

Utan att kräva miljontals dollar i instrumenteringskostnader, verktyget är redo att prototypa en mängd olika funktionella strukturer, från genchip till proteinmatriser till att bygga mönster som styr hur stamceller differentierar till att göra elektroniska kretsar.

"Istället för att behöva ha tillgång till miljontals dollar, i vissa fall miljarder dollar av instrumentering, du kan börja bygga enheter som normalt kräver den typen av instrumentering direkt vid användningsstället, " sa Mirkin.

Uppsatsen beskriver de framsteg som Mirkins team har gjort inom nanotillverkning för stationära datorer baserade på lätttillverkade beam-pen lithography (BPL) pennarrayer, strukturer som består av en rad polymera pyramider, var och en belagd med ett ogenomskinligt skikt med en öppning på 100 nanometer vid spetsen. Med hjälp av en digital mikrospegelenhet, den funktionella komponenten i en projektor, en enda ljusstråle bryts upp i tusentals individuella strålar, var och en kanaliseras ner på baksidan av olika pyramidformade pennor i arrayen och genom öppningarna vid spetsen av varje penna.

Verktyget för nanotillverkning gör att man snabbt kan bearbeta substrat belagda med ljuskänsliga material som kallas resists och generera strukturer som spänner över makro-, mikro- och nanoskala, allt i ett experiment.

Viktiga framsteg som gjorts av Mirkins team inkluderar utveckling av hårdvaran, skriva programvaran för att koordinera ljusets riktning på pennarrayen och konstruera ett system för att få alla delar av detta instrument att arbeta tillsammans synkront. Detta tillvägagångssätt gör att varje penna kan skriva ett unikt mönster och att dessa mönster kan sys ihop till funktionella enheter.

"Det finns inget behov av att skapa en mask eller masterplatta varje gång du vill skapa en ny struktur, " sa Mirkin. "Du tilldelar bara ljusstrålarna att gå på olika ställen och berätta för pennorna vilket mönster du vill generera."

Eftersom materialen som används för att göra skrivbordsverktyget för nanotillverkning är lättillgängliga, kommersialisering kan vara så lite som två år bort, sa Mirkin. Sålänge, hans team arbetar med att bygga fler enheter och prototyper.

I tidningen, Mirkin förklarar hur hans labb producerade en karta över världen, med en upplösning i nanoskala som är tillräckligt stor för att se med blotta ögat, en bedrift som aldrig tidigare uppnåtts med ett skanningsprobinstrument. Inte bara det, men närmare granskning med ett mikroskop avslöjar att denna bild faktiskt är en mosaik av individuella kemiska formler som består av nanoskalapunkter. Att göra detta mönster visar instrumentets förmåga att samtidigt skriva mönster i centimeterskala med nanoskalaupplösning.

De Naturkommunikation papper har titeln "Desktop nanofabrication with massively multiplexed beam-pen lithography." Förutom Mirkin, andra författare är Xing Liao, Keith A. Brown, Abrin L. Schmucker, Guoliang Liu och Shu He, hela Northwestern University.