Förmågan att replikera material på atomnivå har väckt stor uppmärksamhet från materialforskare. Dock, den nuvarande tekniken begränsas av ett antal faktorer. Udo Schwarz, professor i maskinteknik och materialvetenskap och institutionsordförande, har nyligen publicerat två artiklar om forskning som avsevärt kan öppna upp vad som är möjligt inom detta framväxande område. Hans metoder inkluderar en process som kan replikera en ytas egenskaper till detaljer på mindre än en 10 miljarddels meter, eller mindre 1/20 av en atoms diameter.

Nanostrukturerade och nanomönstrade ytor är en integrerad komponent i många nanoteknologiska tillämpningar. Lätt att använda och ekonomisk, metoden för nanoimprinting har stor potential för applikationer som datalagring med hög densitet, fotoniska enheter, hologram, bio-nanofluidchips, vattenfiltrering, och elektroder i bränsleceller. Dock, precisionen i replikeringen är begränsad i de flesta material på grund av dessa material atomära strukturer.

I APL Materials, Schwarz visar att när man arbetar med metallglas, det finns praktiskt taget ingen gräns för den noggrannhet du kan ha när du replikerar ytegenskaper. Faktiskt, precisionsnivån når ner till subatomär nivå. Nyckeln är materialens atomära struktur. Till skillnad från kristallina material, som har atomer som är specifikt arrangerade, atomer i glas är ordnade utan restriktiva periodiska ordningsprinciper.

"Kristaller vill alltid placera atomer på specifika platser, och om din form inte matchar det, du har ingen tur, " sa Schwarz.

Men metallglas har inte så styvt arrangerade atomer, så att de kan anpassa sig där de behövs. Genom att värma upp glaset, forskarna kunde försvaga materialets inre sammanhållning precis tillräckligt för att tillåta atomerna att röra sig hur som helst med nästan perfekt noggrannhet.

"För första gången, vi visade att vilken struktur du har, du kan replikera det - metallglaset kommer att anpassa sig till det korrekt, " sa han. "Du kan göra det med praktiskt taget ingen gräns i noggrannhet."

Det betyder att de kan tillhandahålla en idealisk plattform för att avancera forskning i den grundläggande studien av struktur, deformation, och fasövergångar av glasögon samt möjliggör nya tillämpningar inom områden som använder sig av ytfunktionalisering genom topografi.

Medförfattare till APL-material papper, som tidskriften marknadsför som en "utvald artikel, "är Chao Zhou, Amit Datye, Zheng Chen, Georg H. Simon, Xinzhe Wang, och Jan Schroers.

I en andra tidning, i ACS Applied Materials and Interfaces, Schwarz tittar också på nanotillverkning av bulkmetallglas, men med ett annat förhållningssätt.

För den studien, som fick beteckningen "Editor's Choice" av tidskriften, Schwarz utvecklade en metod baserad på magnetronförstoftning. Vid magnetonförstoftning, gasjoner, typiskt argon, träffar ett "mål" och skjuter ut målatomer i processen. De utstötta atomerna färdas sedan genom vakuum för att så småningom nå ett substrat på vilket de bildar en film. På grund av det breda utbudet av legeringar som kan användas som mål och de stora substratområdena som kan täckas, Metoden ger forskarna en stor verktygslåda för att välja en önskad ytkemi samtidigt som den är extremt mångsidig när det gäller storlek, form, och beskaffenheten av ytmönstret och av de formar som kan användas. Schwarz sa att det effektivt kan höja replikering i atomskala från en "vetenskaplig nyfikenhet" till ett allmänt använt nanotillverkningsverktyg.

Under replikeringsprocessen, den höga graden av noggrannhet är delvis baserad på sputtertekniken, men också avgörande på det faktum att mållegeringarna som används för att sputtera filmerna inte kristalliserar. På grund av detta, det finns inga dimensionella begränsningar från filmer som försöker etablera kristallin ordning.

"Det visar att vi kan replikera ytstrukturer ner till sub-ångström [mindre än en 10 miljarddels meter] i stor skala, och att detta kan öppna vägen för att använda dessa material i stor skala för tillverkning av verkliga arbetsstycken och till överkomliga priser, " han sa.

Eftersom endast knappa mängder material behövs, det nya tillvägagångssättet är ekonomiskt. Det är också tillämpbart på ett stort antal legeringar, flexibel i vilken typ av formar den kan replikera, och kan lätt skalas upp. Potentiella tillämpningar av detta nya tillvägagångssätt inkluderar utvecklingen av nanotrådar och nanorör för nanoelektroniska tillämpningar.