Additiv tillverkningsteknik med atomär precision skulle en dag kunna skapa material med Legos flexibilitet och Terminator-seghet, enligt forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.

I en recensionsartikel publicerad i ACS Nano , Olga Ovchinnikova och kollegor ger en översikt över befintliga vägar till 3D-material, men det slutliga målet är att skapa och anpassa material i atomär skala. Material skulle sättas samman atom för atom, ungefär som barn kan använda Legos för att bygga en bil eller ett slott sten för tegel. Detta koncept, känd som riktad materia, skulle kunna leda till praktiskt taget perfekta material och produkter eftersom många begränsningar av konventionella tillverkningstekniker skulle elimineras.

"Att kunna sätta samman materia atom för atom i 3D kommer att göra det möjligt för oss att designa material som är starkare och lättare, mer robust i extrema miljöer och ger ekonomiska lösningar för energi, kemi och informatik, " sa Ovchinnikova.

I grunden riktad materia eliminerar behovet av att ta bort oönskat material genom litografi, etsning eller andra traditionella metoder. Dessa processer har tjänat samhället väl, forskare noterade, men nästa generations material och produkter kräver ett nytt tillvägagångssätt.

"För den stora majoriteten av nedtecknad historia, materialförvandling var begränsad till föremål som var synliga för blotta ögat och mönstrade med hjälp av handhållna verktyg, " skrev forskarna. "Vi kan beundra skickligheten hos riskornsskrivandet, eller fingravering på ett uppskattat svärdblad, men bara två till tre storleksordningar skiljer dessa mästerverk från stenåldersteknologin."

Nu, med förmågan att styra materia med atomär precision, vinsten kan vara kvantdatorer, mobiltelefoner med mer datalagring och längre intervall mellan laddning, högre effektivitet solceller, och starkare och billigare lättviktsmaterial.

"Det är faktiskt svårt att förutsäga var detta kan ta vägen och hur den här tekniken kan förändra våra liv, men vi tänker ta reda på " sa Ovchinnikova.

Genom att använda beräkning och modellering, forskare kan exakt föreställa sig, förutspå, skapa och kontrollera elektriska och andra egenskaper hos ett material istället för att behöva kompromissa. Huvudförfattaren Stephen Jesse noterade att tillvägagångssättet för riktad materia bygger på årtionden av forskning och använder instrument som ursprungligen utformades för att undersöka material för att tillverka nya med sub-10 nanometer (10 miljarddelar av en meter) funktionsupplösning.

Till exempel, transmissionselektronmikroskopet, utvecklades på 1930-talet, har tillåtit enatomsavbildning, kemisk stamavbildning och strukturell kartläggning på pikometernivå. Sedan starten, dock, strålmaterialets interaktion måste hanteras för att förhindra "stråleskador, "ett hinder för grundläggande studier, sa forskarna.

"Dock, denna interaktion, kombinerat med avbildning av elektron- och nyligen jonmikroskopi kan användas som grund för nästa generations nanotillverkningsverktyg, " sa Jesse.

Uppsatsen ger sammanfattningar av flera andra alternativ för atomärt exakt tillverkning av 3D-material baserade på elektron- och jonstrålar, inklusive fokuserad elektronstråleinducerad bearbetning från gasprekursorer och flytande prekursorer.