Forskare vid Cockrell School of Engineering vid University of Texas i Austin har löst ett problem inom mikro- och nanotillverkning – hur man snabbt, hantera små partiklar försiktigt och exakt – vilket gör det möjligt för forskare att lättare bygga små maskiner, biomedicinska sensorer, optiska datorer, solpaneler och andra enheter.

De har utvecklat en enhet och teknik, kallas bubbelpenna litografi, som effektivt kan hantera nanopartiklar – de små guldbitarna, kisel och andra material som används vid nanotillverkning. Den nya metoden bygger på mikrobubblor för att skriva in, eller skriv, nanopartiklar på en yta.

Forskarnas intresse för nanopartiklar, som är mellan 1 och 100 nanometer stora, har vuxit snabbt på grund av deras mångsidighet och styrka. Vissa nanopartiklar har optiska egenskaper som är användbara för elektronik. Andra har förmågan att absorbera solenergi. I biomedicinska tillämpningar, nanopartiklar kan fungera som läkemedelsbärare eller avbildningsmedel.

Men att arbeta med dessa partiklar och samtidigt behålla deras egenskaper och funktioner intakta kan vara svårt. Och befintliga litografimetoder, som används för att etsa eller mönstra material på ett substrat, är inte kapabla att fixera nanopartiklar till en specifik plats med exakt och godtycklig kontroll.

En forskargrupp ledd av Texas Engineering biträdande professor Yuebing Zheng har uppfunnit ett sätt att hantera dessa små partiklar och låsa dem på plats utan att skada dem. Använda mikrobubblor för att försiktigt transportera partiklarna, bubbelpennalitografitekniken kan snabbt ordna partiklar i olika former, storlekar, sammansättningar och avstånd mellan nanostrukturer. Denna avancerade kontroll är nyckeln till att utnyttja deras egenskaper. Laget, som inkluderar docent Cockrell School Deji Akinwande och professor Andrew Dunn, beskriva deras patenterade anordning och teknik i en artikel som publicerades i numret 13 januari av Nanobokstäver .

Med sin bubbla-penna, forskarna fokuserar en laser under ett ark av guld nanoöar (nanoskala öar) för att generera en hotspot som skapar en mikrobubbla av förångat vatten. Bubblan attraherar och fångar en nanopartikel genom en kombination av gastryck, termisk och ytspänning, ytvidhäftning och konvektion. Lasern styr sedan mikrobubblan för att flytta nanopartikeln på en plats på ytan. När lasern stängs av, mikrobubblan försvinner, lämnar partikeln kvar på ytan. Om nödvändigt, forskarna kan expandera eller minska storleken på mikrobubblan genom att öka eller minska laserstrålens effekt.

"Förmågan att kontrollera en enskild nanopartikel och fixera den till ett substrat utan att skada den kan öppna upp stora möjligheter för att skapa nya material och enheter, " sade Zheng. "Förmågan att ordna partiklarna kommer att bidra till att främja en klass av nya material, känd som metamaterial, med egenskaper och funktioner som inte finns i nuvarande naturmaterial."

Tekniken kan vara särskilt användbar för vetenskap och medicin eftersom forskare skulle kunna kontrollera celler exakt, biologiskt material, bakterier eller virus för studier och testning, tillade Zheng.

Dessutom, bubbla-pen litografi kan utnyttja ett designprogram på samma sätt som en 3D-skrivare, så att den kan deponera nanopartiklar i realtid i ett förprogrammerat mönster eller design. Forskarna kunde skriva UT Austin Longhorn-symbolen och skapa en kupolform av nanopartikelpärlor.

I jämförelse med andra befintliga litografimetoder, bubbelpennlitografi har flera fördelar, säger Zheng. Först, tekniken kan användas för att testa prototyper och idéer för enheter och material snabbare. Andra, tekniken har potential för storskalighet, lågkostnadstillverkning av nanomaterial och enheter. Andra litografitekniker kräver mer resurser och en renrumsmiljö.

Zheng säger att han hoppas kunna utveckla bubbelpennalitografi genom att utveckla en flerstrålebehandlingsteknik för produktion av nanomaterial och nanoenheter på industriell nivå. Han planerar också att utveckla en bärbar version av tekniken som fungerar som en mobiltelefon för användning i prototyper och sjukdomsdiagnostik.

Denna forskning fick finansiering från Beckman Young Investigator Award.