дома нескучно
Как весело и с пользой пережить самоизоляцию

Световой "тяговый луч" собирает материалы на наномасштабе

9 November 2019

Исследователи адаптировали технологию на основе света, широко используемую в биологии - известную как оптические ловушки или оптический пинцет - для работы в безводной жидкой среде с богатыми углеродом органическими растворителями.

Оптический пинцет действует как "тяговый луч" на основе света, который может собирать наноразмерные полупроводниковые материалы точно в более крупные структуры.

В отличие от тракторных лучей научной фантастики, которые могут захватить огромные космические корабли, эти оптические пинцеты способны улавливать материалы, почти в миллиард раз короче метра.

Современное строительство - это стремление к точности.

Строители должны использовать компоненты, изготовленные в соответствии с определенными стандартами, такие как балки желаемого состава или заклепки определенного размера.

Строительная промышленность рассчитывает на то, что производители будут создавать эти компоненты надежно и воспроизводимо, чтобы возводить надежные мосты и строить надежные небоскребы.

Теперь представьте себе строительство в меньшем масштабе - менее чем в 1/100 раз толще листа бумаги. Это наноразмеры. Именно в таких масштабах ученые работают над разработкой потенциально революционных технологий в таких областях, как квантовые вычисления.

Это также масштаб, в котором традиционные методы производства просто не сработают. Наши стандартные инструменты, даже миниатюрные, слишком громоздкие и коррозионные для воспроизводимого производства компонентов в наномасштабах.

Исследователи из Вашингтонского университета разработали метод, который может сделать возможным воспроизводимое производство в наномасштабах.

Группа адаптировала световую технологию, широко используемую в биологии - известную как оптические ловушки или оптический пинцет - для работы в безводной среде с богатыми углеродом органическими растворителями, тем самым открывая новые возможности для применения.

Как сообщает команда в статье, опубликованной 30 октября в журнале "Nature Communications", оптический пинцет действует как световой "тяговый луч", который может собирать наноразмерные полупроводниковые материалы точно в более крупные структуры.

В отличие от тракторных лучей научной фантастики, захватывают космические корабли, команда использует оптический пинцет для улавливания материалов, которые почти в миллиард раз короче метра.

"Это новый подход к нанопроизводству, - говорит соавтор Питер Паузауски, доцент кафедры материаловедения и инженерии Университета УВ, преподаватель Института молекулярного машиностроения и науки и Института наноинженерных систем, старший научный сотрудник Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории.

"В процессе производства не задействованы поверхности камеры, что минимизирует образование деформаций и других дефектов. Все компоненты подвешены в растворе, и мы можем контролировать размер и форму наноструктуры, поскольку она собирается по частям".

"Использование этого метода в органическом растворителе позволяет нам работать с компонентами, которые в противном случае деградировали бы или корродировали бы при соединении с водой или воздухом", - сказал Винсент Холмберг, доцент кафедры химии и преподаватель Института чистой энергии и Института молекулярной инженерии и науки в Университете УВ.

"Органические растворители также помогают нам перегреть материал, с которым мы работаем, позволяя нам контролировать трансформацию материала и управлять химическими процессами".

Для демонстрации потенциала такого подхода исследователи использовали оптический пинцет для создания новой нанослойной гетероструктуры, представляющей собой наноструктуру, состоящую из различных сечений из различных материалов.

Исходными материалами для создания нанослойной гетероструктуры были более короткие "наностержни" кристаллического германия, длиной всего несколько сотен нанометров и диаметром десятков нанометров каждая, что примерно в 5000 раз тоньше человеческого волоса. Каждый из них покрыт нанокристаллом металлического висмута.

Затем исследователи использовали "тяговый луч" на основе света для захвата одного из германиевых наностержней. Энергия пучка также перегревает наностержень, плавя висмутовую крышку. Затем они направляют второй наностержень в "тяговый луч" и, благодаря висмутальной крышке расплавленного материала, припаивают его из конца в конец.

Исследователи могли затем повторить процесс до тех пор, пока не соберут структурированную гетероструктуру из нанопроволоки с повторяющимися полупроводниковыми и металлическими соединениями, которые в пять-десять раз дольше, чем отдельные строительные блоки.

Мы назвали этот оптически ориентированный процесс сборки "фотонной нанопайкой" - по сути, пайкой двух компонентов в наномасштабе при помощи света", - сказал Холмберг.

Нанопровода, содержащие соединения между материалами, такие как германий-висмут, синтезированные командой UW, в конечном итоге могут стать способом создания топологических кубитов для приложений в квантовых вычислениях.

Тракторный луч представляет собой высоконаправленный лазер, создающий тип оптической ловушки - метод, впервые разработанный Артуром Ашкиным в 1970-х годах и удостоенный Нобелевской премии.

На сегодняшний день оптические ловушки используются почти исключительно в водной или вакуумной среде. Команды Паузауска и Холмберга адаптировали оптическую ловушку.

"Такая точность необходима для надежных, воспроизводимых методов наноизготовления без хаотичного взаимодействия с другими поверхностями или материалами, которые могут вызвать дефекты или деформацию наноматериалов", - сказал Паузауски.

Исследователи полагают, что их подход к нанопайке может позволить аддитивное производство наноразмерных структур с различными наборами материалов для других применений.

"Мы надеемся, что эта демонстрация приведет к использованию исследователями оптических ловушек для манипулирования и сборки более широкого спектра наноразмерных материалов, независимо от того, совместимы ли эти материалы с водой или нет", - сказал Холмберг.