Они разработали устройство и технику, называемую литографией с пузырьковой ручкой, с помощью которой можно эффективно обрабатывать наночастицы – крошечные кусочки золота, кремния и других материалов, используемых в нанопроизводстве. Новый метод основан на использовании микропузырьков для нанесения или записи наночастиц на поверхность.
Интерес исследователей к наночастицам размером от 1 до 100 нанометров быстро вырос благодаря их универсальности и прочности. Некоторые наночастицы обладают оптическими свойствами, полезными для электроники.
Другие обладают способностью поглощать солнечную энергию. В биомедицинских приложениях наночастицы могут служить носителями лекарств или визуализирующими агентами.
Но работать с этими частицами, сохраняя при этом их свойства и функции, может быть сложно.
А существующие методы литографии, которые используются для травления или нанесения рисунка на материалы на подложке, не способны фиксировать наночастицы в определенном месте с точным и произвольным контролем.
Исследовательская группа во главе с доцентом Texas Engineering Юбин Чжэн изобрела способ обрабатывать эти маленькие частицы и фиксировать их на месте, не повреждая их. Используя микропузырьки для бережного переноса частиц, техника литографии пузырьковой ручкой позволяет быстро расположить частицы различной формы, размеров, состава и расстояний между наноструктурами.
Этот расширенный элемент управления является ключом к использованию их свойств. Команда, в которую входят доцент школы Кокрелла Деджи Акинванде и профессор Эндрю Данн, описывают запатентованное устройство и методику в статье, опубликованной в январе. 13 выпуск Nano Letters.
Используя свое устройство с пузырьковой ручкой, исследователи фокусируют лазер под листом золотых наноостровов (наноразмерные острова), чтобы создать горячую точку, которая создает микропузырьки из испаренной воды. Пузырь притягивает и захватывает наночастицу за счет сочетания давления газа, теплового и поверхностного натяжения, поверхностной адгезии и конвекции.
Затем лазер направляет микропузырьки, чтобы наночастицы перемещались по участку на поверхности. Когда лазер выключен, микропузырьки исчезают, оставляя частицу на поверхности. При необходимости исследователи могут увеличить или уменьшить размер микропузырька, увеличивая или уменьшая мощность лазерного луча.
«Возможность контролировать одну наночастицу и прикреплять ее к подложке, не повреждая ее, может открыть большие возможности для создания новых материалов и устройств», – сказал Чжэн. «Возможность упорядочивания частиц поможет продвинуть класс новых материалов, известных как метаматериалы, со свойствами и функциями, которых нет в существующих природных материалах."
Этот метод может быть особенно полезен для науки и медицины, потому что исследователи смогут точно контролировать клетки, биологический материал, бактерии или вирусы для изучения и тестирования, добавил Чжэн.
Более того, литография пузырьковой ручкой может использовать программное обеспечение для проектирования так же, как и трехмерный принтер, поэтому она может наносить наночастицы в режиме реального времени по заранее запрограммированному шаблону или дизайну.
Исследователи смогли написать символ UT Остина Лонгхорна и создать куполообразную форму из шариков наночастиц.
По словам Чжэна, по сравнению с другими существующими методами литографии литография пузырьковым пером имеет несколько преимуществ. Во-первых, эту технику можно использовать для более быстрого тестирования прототипов и идей для устройств и материалов.
Во-вторых, этот метод имеет потенциал для крупномасштабного недорогого производства наноматериалов и устройств. Другие методы литографии требуют больше ресурсов и чистой комнаты.
Чжэн говорит, что надеется продвинуть литографию пузырьковыми перьями, разработав технологию многолучевой обработки для промышленного производства наноматериалов и наноустройств.
Он также планирует разработать портативную версию метода, которая будет работать как мобильный телефон, для использования в прототипировании и диагностике заболеваний.
Это исследование получило финансирование от премии Beckman Young Investigator Award.