Маленькие предметы имеют свойство цепляться за все. Вот почему родители боятся устраивать вечеринки с конфетти. Вот почему блеск - это развлечение для рукоделия - до тех пор, пока он не попадет на все остальное, к чему вы прикасаетесь.
Когда эти мелкие предметы прилипают к вам, их можно удалить с помощью пылесоса или валика для удаления ворса. Но маленькие липкие предметы представляют собой серьезную проблему в растущей сфере нанопроизводства . Так что же используют инженеры, когда им нужно построить схемы, которые поместятся на конфетти? У исследователей, поддерживаемых Национальным научным фондом (NSF), есть решение: лазеры.
Чтобы понять такое использование лазеров, важно начать с вопроса о том, почему маленькие объекты могут прилипать ко всему, с чем они соприкасаются.
Когда вы кладете руку на что-то размером с газированную воду, вам приходится напрягать хватку, чтобы поднять это; если не прилагается никакая сила, сила тяжести перемещает таз к земле. В этом примере сила тяжести, действующая на массу банки (вес), берет верх, когда вы отпускаете рукоятку.
Но что происходит, когда объект намного меньше, чем может быть газированная вода, - скажем, блестящее пятнышко? В этом случае влага и статическое электричество становятся доминирующими силами, а влияние гравитации минимально. Эти силы удерживают пятнышко у вас в руке, с вашей хваткой или без нее.
Крошечные объекты «почти полностью имеют площадь поверхности и не имеют веса», - говорит Плэсид Феррейра, руководитель отдела механики и инженерии Иллинойского университета в Урбана-Шампейн. «Адгезия связана с площадью поверхности; прилипание легко в небольших масштабах, отпустить трудно».
Это представляет собой препятствие в нанопроизводстве, где производство чрезвычайно малых структур и устройств включает работу с объектами размером с ДНК, а также с клеточными белками, измеряемыми в нанометрах.
При поддержке NSF Феррейра сотрудничал с Джоном А. Роджерсом и Йонгганом Хуангом, чтобы найти потенциальные способы использования лазеров для нарушения адгезии мельчайших частиц. Группа сосредоточилась на трансферной печати, одном из видов нанопроизводства.
Подобно резиновому штампу, который превращает чернила в буквы, которые отпечатываются на бумаге, трансферная печать использует предварительно сформированный рисунок штампа, к которому будут прилипать «чернила» с определенными электрическими свойствами. Фактические чернила могут быть любым из множества материалов, которые действуют как полупроводники, наиболее известным из которых является кремний.
Штамп превращает чернила в наноструктуру, и некоторые из них переносятся на принимающую поверхность с другим набором электрических свойств , создавая наноконтур.
Один из методов, используемых до сих пор для отделения наноструктур от штампов, основан на выборе «чернильного» материала, достаточно прочного, чтобы выдерживать контакт с принимающей поверхностью. Другой работает так же, как щетка для удаления ворса, с использованием липкой принимающей поверхности, которая «отрывает» наноструктуру от штампа за счет адгезии.
Группа Феррейры использует лазеры, чтобы разрушить адгезионные силы на границе раздела штамп-чернила. Лазеры, которые они используют, не новы; раньше они использовались для лазерного сваривания предметов. Инновация Феррейры заключалась в том, чтобы сфокусировать энергию лазера таким образом, чтобы наноструктура отрывалась от штампа с высокой степенью точности.
Процесс, управляемый лазером, позволяет использовать бесконтактный подход, открывая процесс для новых материалов, которые ранее не переносились при штамповке. Дальнейшее развитие метода, по словам Феррейры, «продолжит минимизировать потери энергии от лазера к наноструктуре, позволяя использовать более хрупкие материалы и более быструю печать».
По мере того, как наносхемы становятся более функциональными, их возможности для применения расширяются. Например, носимые датчики меньшего размера могут контролировать воздух вокруг человека, страдающего астмой, чтобы помочь ему избежать опасностей, связанных с окружающей средой.
«Современное производство уже привело инженеров к тому масштабу, когда мы создаем системы с компонентами меньшего размера, чем может схватить рука, и сохранится потребность в сборке деталей в меньших и меньших масштабах», - говорит Брюс Крамер, старший советник NSF. Отдел гражданских, механических и производственных инноваций.
