Att använda formar för att forma saker är lika gammalt som mänskligheten. Under bronsåldern, koppar-tennlegeringen smältes och gjuts till vapen i keramiska formar. I dag, formsprutning och extrudering formar heta vätskor till allt från bildelar till leksaker.

För att detta ska fungera, formen måste vara stabil medan det varma flytande materialet stelnar till form. I ett genombrott för nanovetenskap, Cornell polymeringenjörer har gjort en sådan form för nanostrukturer som kan forma flytande kisel av ett organiskt polymermaterial. Detta banar väg för perfekt, 3-D, enkristall nanostrukturer.

Förskottet kommer från Uli Wiesners labb, Spencer T. Olin professor i teknik vid institutionen för materialvetenskap och teknik, vars labb tidigare har lett skapandet av nya material gjorda av organiska polymerer. Med rätt kemi, organiska polymerer självmonterar, och forskarna använde denna speciella förmåga hos polymerer för att göra en form prickad med exakt formade och stora nanoporer.

Forskningen är publicerad i Vetenskap 3 juli.

I vanliga fall, smältande amorft kisel, som har en smälttemperatur på ca 2, 350 grader, skulle förstöra den ömtåliga polymerformen, som bryts ned vid ca 600 grader. Men forskarna, i samarbete med Michael Thompson, docent i materialvetenskap och teknik, kom runt detta problem genom att använda extremt korta smältperioder inducerade av en laser.

Forskarna fann att polymerformen håller i sig om kislet värms upp av laserpulser bara nanosekunder långa. På så korta tidsskalor, kisel kan värmas till en vätska, men smälttiden är så kort att polymeren inte hinner oxidera och sönderdelas. De lurade i huvudsak polymerformen att behålla sin form vid temperaturer över dess nedbrytningspunkt.

När formen etsades bort, forskarna visade att kislet hade formats perfekt av formen. Detta kan leda till att göra perfekt, nanostrukturer av enkristallkisel. De har inte gjort det än, men deras Vetenskap papper visar att det är möjligt. I arbete publicerat 2010, Wiesner och kollegor visade vägen för denna process, med hjälp av en oxidform.

Wiesner kallade genombrottet "vackert" och en möjligen grundläggande insikt i att studera material i nanoskala. Inom materialvetenskap, målet är alltid att få väldefinierade strukturer som kan studeras utan inblandning från materialdefekter.

De flesta egenmonterade nanostrukturer idag är antingen amorfa eller polykristallina – uppbyggda av mer än en del av ett material med perfekt ordning. Det är svårt att bedöma om deras egenskaper beror på själva nanostrukturen eller om de domineras av defekter i materialet.

Upptäckten av enkristallkisel – halvledaren i varje integrerad krets – gjorde elektronikrevolutionen möjlig. Det tog att skära enkristaller till wafers för att verkligen förstå kiselets halvledande egenskaper. I dag, nanoteknik möjliggör otroligt detaljerad etsning i nanoskala, ner till 10 nanometer på en silikonwafer.

Men nanotillverkningstekniker som fotolitografi, där ett polymert material är skrivet med en struktur som etsas in i kislet, når sina gränser när det kommer till 3D-strukturer.

Halvledare som kisel sätts inte ihop till perfekt ordnade strukturer som polymerer gör. Det är nästan ovanligt att få en 3D-strukturerad enkristall av en halvledare. För att göra enkristallnanostrukturer, det finns två alternativ:multipel etsning eller gjutning. Wiesners grupp har nu gjort formen.

Sättet de gjorde formen på var i sig ett genombrott. De hade tidigare lärt sig att självmontera mycket beställda, porösa nanomaterial med hjälp av speciellt strukturerade molekyler som kallas blocksampolymerer.

De använde först en koldioxidlaser i Thompsons labb för att "skriva" de nanoporösa materialen på en kiselwafer. En film, spin-coated på wafern, innehöll en segmentsampolymer, som styrde sammansättningen av ett polymerharts. Att skriva rader i filmen med lasern, segmentsampolymeren sönderdelas, agerar som ett motstånd i positiv ton, medan hartset med negativ ton lämnades kvar för att bilda den porösa nanostrukturen. Det blev formen.

"Vi visade att vi kan använda organiska mallar med strukturer som är lika komplicerade som en gyroid, en periodiskt beställd kubisk nätverksstruktur, och "tryck" det på smält kisel, som sedan omvandlas till kristallint kisel, sa Wiesner.

"Att ha förmågan att forma arbetshästen för all elektronik, kisel, till invecklade former saknar motstycke, " sa Andy Lovinger, en programdirektör i materialforskningsavdelningen vid National Science Foundation, som finansierade Wiesners forskning. "Detta vackra arbete visar hur det kan göras genom att dra fördel av de unika designegenskaperna som erbjuds av polymera material."

Uppsatsen kallas "Transient Laser Heating-Induced Hierarchical Porous Structures From Block Copolymer Directed Self-Assembly, " och dess första författare är Kwan Wee Tan, en före detta doktorand i Wiesner Lab.