Hybrid, multifunktionella nanostrukturer med olika 3D-former och komplex materialsammansättning kan nu tillverkas med en exakt och effektiv tillverkningsteknik.

Förverkligandet av nanomaskiner kommer allt närmare verkligheten. Forskare vid Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart hjälper till att göra en av nanovetenskapens stora utmaningar till verklighet. De har utvecklat en metod som gör det möjligt att tillverka ett sortiment av ovanligt formade och funktionaliserbara nanostrukturer. Det låter dem kombinera material med mycket varierande kemiska och fysikaliska egenskaper i minsta skala. Teamet av forskare som leds av Peer Fischer har till och med odlat spiralformade ljusantenner som är mindre än 100nm långa från material som vanligtvis inte kan formas i nanoskala. Detta uppnås genom ångavsättning av materialet på en superkyld roterande skiva. Processen tillåter inte bara tillverkning av nanostrukturer mer exakt än tidigare metoder, flera miljarder sådana nanopartiklar kan produceras parallellt på ett snabbt sätt.

Flera av de föreslagna idéerna om vad nanoteknik kan åstadkomma är ganska vågade:små robotar kan transportera mediciner i människokroppen till sjukdomshärdar eller vara tillräckligt små för att fungera i en mänsklig cell. Det kan vara möjligt för nanomotorer att fungera som ljus- eller toxinsensorer på längdskalor som är 2 000 gånger mindre än tjockleken på ett människohår. Information skulle kunna packas in i lagringsenheter med densitet många gånger högre än vad som är möjligt med dagens teknik. Forskning om att förverkliga några av dessa mål är redan ganska nära. Nu, ett team som leds av Peer Fischer, Ledare för en forskningsgrupp vid Max Planck Institute for Intelligent Systems, har kommit ännu närmare. "Vi har utvecklat en mångsidig, exakt, och effektiv process med vilken tredimensionella nanostrukturer kan specialtillverkas av olika material", säger Peer Fischer. "Tills nu, strukturer mindre än 100 nanometer kunde bara skapas i mycket symmetriska, främst sfäriska eller cylindriska former."

Med sin nya metod, forskarna kan nu producera hybrid nanoskopiska krokar, skruvar, och sicksackstrukturer genom att bearbeta material med mycket olika fysikaliska egenskaper – metaller, halvledare, magnetiska material, och isolatorer. Som ett exempel på möjliga tillämpningar, forskarna producerade helixar av guld som är lämpliga som nanoantenner för ljus. Färgen på ljuset som antennerna absorberar kan styras av deras form och materialsammansättning. Med dem, cirkulärt polariserat ljus kan till exempel filtreras, en process som används i projektorer för 3D-filmer. Också, oscillationsplanet för en elektromagnetisk våg – vilket är vad polariserat ljus är – roteras antingen medurs eller moturs beroende på rotationskänslan hos metallnanohelixen. Effekten är storleksordningar större per helix än vad som ses med naturligt förekommande material.

Nanostrukturer från en ström av ånga till guldnanodotöar

Exakt kontroll över nanokomponenternas form och struktur uppnåddes av forskarna i Stuttgart med hjälp av deras eleganta metod, som kan producera flera hundra miljarder kopior av en komplex struktur på ungefär en timme. Med hjälp av micellär nanolitografi, som har funnits i flera år, de placerar först miljarder regelbundet arrangerade nanopartiklar av guld på ytan av en kisel- eller glaswafer. De avsätter guldpartiklar täckta i ett polymerskal på substratet, som sedan ordnar sig i en tätt packad, vanligt mönster. Efter att ha tagit bort polymerskalet med en plasma, guldprickarna förblir bakom bundna till substratet. Forskarna placerar sedan den förmönstrade skivan i vad som i huvudsak är en ström av metallånga i en vinkel som är tillräckligt snett för att metallatomerna bara kan se de små guldöarna och avsätta sig endast på dessa punkter. Således, de växer snabbt till nanostrukturer som kan ha funktionsstorlekar så små som 20 nm.

Om forskarna långsamt roterar substratet under ångavsättningen, stavarna slingrar sig till en spiral. Om de roterar substratet abrupt, en sicksackform bildas. Om materialet som förångas i kammaren under processen ändras, ett kompositmaterial, såsom en metallegering, är formad. Och naturligtvis, alla dessa snygga knep kan kombineras. Till exempel, de fäste kopparkrokar på aluminiumoxidstavar med ett tunt lager av titan för att fästa de två materialen tillsammans.

Den avgörande idén:kylning av flytande kväve

"Större strukturer har redan tillverkats ett tag på liknande sätt", förklarar Andrew G. Mark, en Max Planck-forskare som spelade en viktig roll i att utveckla metoden. "Tills nu, denna metod kunde inte överföras till nanostrukturer, dock." Detta beror på att den heta, mobila atomer som avsatts från ångan ordnar sig snabbt på ytan till en sfär på grund av energiskäl. "Vi kom därför på idén att kyla substratet med flytande kväve vid ungefär minus 200 grader Celsius, som rinner genom substrathållaren, så att en atom snabbt fryses och fixeras på plats så snart den landar på spetsen av den växande nanokroppen", säger John G. Gibbs, som också bidragit väsentligt till arbetet vid Max Planck Institute for Intelligent Systems.

Trots mångsidigheten i metoden, inte alla former kan skapas med den. "Eftersom strukturen alltid växer bort från rånet, inga ringar, slutna trianglar eller kvadrater kan bildas", säger Fischer. "Vi kan inte bygga ett Eifeltorn i nanoskala." Ändå, breda möjligheter är öppna för honom och hans team. "Vårt långsiktiga mål är att konstruera nanomaskineri", säger Peer Fischer. "Naturen bygger motorer i en skala av cirka 20 nanometer. Vi skulle vilja koppla våra komponenter till dessa motorer." Då kan det vara möjligt för många av nanorseacharnas drömmar att bli verklighet.