Luis Fernando Velásquez-Garcías grupp vid MIT:s Microsystems Technology Laboratories (MTL) utvecklar täta uppsättningar av mikroskopiska koner som utnyttjar elektrostatiska krafter för att stöta ut jonströmmar.

Tekniken har en rad lovande tillämpningar:avsättning eller etsning på mekaniska enheter i nanoskala; spinner ut nanofibrer för användning i vattenfilter, skyddsvästar, och "smarta" textilier; eller framdrivningssystem för knytnävsstora "nanosatelliter".

I det senaste numret av IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, Velásquez-García, hans doktorander Eric Heubel och Philip Ponce de Leon, och Frances Hill, en postdoc i sin grupp, beskriv en ny prototyp array som genererar 10 gånger den jonström per emitter som tidigare arrayer gjorde.

Jonström är ett mått på laddningen som bärs av joner i rörelse, vilket direkt översätts till den hastighet med vilken partiklar kan sprutas ut. Högre strömmar lovar alltså effektivare tillverkning och smidigare satelliter.

Samma prototyp fyller också på 1, 900 sändare på ett chip som bara är en centimeter kvadrat, fyrdubbla matrisstorleken och sändartätheten för även de bästa av sina föregångare.

"Detta är ett område som gynnas av att miniatyrisera komponenterna, eftersom nedskalning av sändare innebär mindre strömförbrukning, mindre förspänning för att driva dem, och högre genomströmning, säger Velásquez-García, en huvudforskare vid MTL. "Ämnet vi har tagit itu med är hur vi kan få dessa enheter att fungera så nära vi kan den teoretiska gränsen och hur vi kan öka genomströmningen avsevärt med hjälp av multiplexering, med massivt parallella enheter som fungerar enhetligt. "

När Velásquez-García talar om en "teoretisk gräns, " han pratar om punkten då droppar - klumpar av molekyler - snarare än joner - individuella molekyler - börjar strömma bort från utsändarna. Bland andra problem, dropparna är tyngre, så deras utstötningshastighet är lägre, vilket gör dem mindre användbara för etsning eller satellitframdrivning.

Jonerna som skjuts ut av Velásquez-Garcías prototyp är framställda av ett joniskt salt som är flytande vid rumstemperatur. Ytspänning transporterar vätskan upp på sändarnas sida till spetsen av konen, vars trånghet koncentrerar det elektrostatiska fältet. Vid spetsen, vätskan joniseras och, helst, kastade ut en molekyl i taget.

Sakta ner flödet

När jonströmmen i en sändare blir tillräckligt hög, droppbildning är oundviklig. Men tidigare sändarrayer-de som byggdes både av Velásquez-Garcias grupp och av andra-föll långt under denna tröskel.

Att öka en matris jonström är en fråga om att reglera flödet av det joniska saltet upp på sändarnas sidor. Att göra det, MIT -forskarna hade tidigare använt svart kisel, en form av kisel som odlas som tätt packade borst. Men i det nya verket, de använde istället kolnanorör – atomtjocka ark av kol rullade till cylindrar – som växte på utsläpparnas sluttningar som träd på en bergssida.

Genom att noggrant skräddarsy nanorörens densitet och höjd, forskarna kunde uppnå ett vätskeflöde som möjliggjorde en fungerande jonström vid mycket nära den teoretiska gränsen.

"Vi visar också att de fungerar enhetligt - att varje sändare gör exakt samma sak, "Säger Velásquez-García. Det är avgörande för nanofabrikationsapplikationer, där djupet av en etsning, eller höjden på insättningar, måste vara konsekvent över ett helt chip.

För att kontrollera nanorörens tillväxt, forskarna täcker först emitterarrayen med en ultratunn katalysatorfilm, som bryts till partiklar genom kemiska reaktioner med både substratet och miljön. Sedan utsätter de matrisen för en plasma rik på kol. Nanorören växer upp under katalysatorpartiklarna, som sitter ovanpå dem, tills katalysatorn bryts ned.

Att öka emitterdensiteten – den andra förbättringen som rapporterades i den nya tidningen – var en fråga om att optimera befintligt tillverkningsrecept, " säger Velásquez-García. Utsläpparna, som de flesta silikonenheter i nanoskala, producerades genom fotolitografi, en process där mönster optiskt överförs till lager av material som avsatts på kiselskivor; en plasma etsar sedan bort materialet enligt mönstret. "Receptet är gaserna, kraft, trycknivå, tid, och etsningens sekvens, " säger Velásquez-García. "Vi började göra elektrosprayarrayer för 15 år sedan, och att tillverka olika generationer av enheter gav oss kunskapen att göra dem bättre."

Nanotryck

Velásquez-García tror att användning av arrayer av sändare för att producera nanoenheter kan ha flera fördelar jämfört med fotolitografi - tekniken som producerar arrayerna själva. Eftersom de kan arbeta i rumstemperatur och inte kräver en vakuumkammare, matriserna kan deponera material som inte tål de extrema förhållandena i många mikro- och nanotillverkningsprocesser. Och de skulle kunna eliminera den tidskrävande processen att deponera nya lager av material, exponera dem för optiska mönster, etsa dem, och sedan börja om igen.

"Enligt min åsikt, de bästa nanosystemen kommer att göras med 3D-utskrift eftersom det skulle kringgå problemen med standardmikrotillverkning, " säger Velásquez-García. "Den använder oöverkomligt dyr utrustning, som kräver en hög utbildningsnivå för att fungera, och allt är definierat i plan. I många applikationer vill man ha tredimensionaliteten:3D-utskrift kommer att göra stor skillnad i de typer av system vi kan sätta ihop och den optimering som vi kan göra."

"Intresset för den här typen av sändare är vanligtvis att kunna sända ut en stråle av joner och inte en stråle av droppar, "säger Herbert Shea, en docent i Microsystems for Space Technologies Laboratory vid École Polytechnique Fédérale de Lausanne. "Med deras nanorörsskog, de kan få enheterna att fungera i rent jonläge men har en hög ström som vanligtvis förknippas med droppläget."

Shea tror att åtminstone på kort sikt, teknikens mest lovande tillämpning är rymdskeppsdrivning. "Det skulle kräva mycket ansträngning att göra det till ett praktiskt mikromaskinverktyg, Det skulle kräva mycket liten ansträngning att använda den som framdrivning för små rymdfarkoster, "säger han." Anledningen till att du vill vara i jonläge är att ha den mest effektiva omvandlingen av drivmedlets massa till rymdskeppets momentum. "

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.