El uso de moldes para dar forma a las cosas es tan antiguo como la humanidad. En la Edad de Bronce, la aleación de cobre y estaño se fundía y se convertía en armas en moldes de cerámica. Hoy en día, el moldeo por inyección y extrusión forma líquidos calientes en todo, desde piezas de automóviles hasta juguetes.
Para que esto funcione, el molde debe ser estable mientras el material líquido caliente se endurece en forma. En un avance para la nanociencia, los ingenieros de polímeros de Cornell han hecho un molde para nanoestructuras que pueden formar silicio líquido a partir de un material de polímero orgánico.Esto allana el camino para nanoestructuras de cristal único, perfectas en 3-D.
El avance es del laboratorio de Uli Wiesner, profesor de ingeniería en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, cuyo laboratorio ha liderado previamente la creación de nuevos materiales hechos de polímeros orgánicos. Con la química adecuada, los polímeros orgánicos se autoensamblan,y los investigadores usaron esta habilidad especial de los polímeros para hacer un molde salpicado de nano poros de tamaño y forma precisos.
Normalmente, la fusión del silicio amorfo, que tiene una temperatura de fusión de aproximadamente 2,350 grados, destruiría el delicado molde de polímero, que se degrada a unos 600 grados. Pero los científicos, en colaboración con Michael Thompson, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales,solucionó este problema utilizando períodos de fusión extremadamente cortos inducidos por un láser.
Los investigadores encontraron que el molde de polímero se sostiene si el silicio se calienta por pulsos láser de apenas nanosegundos de largo. En escalas de tiempo tan cortas, el silicio se puede calentar a un líquido, pero la duración de la fusión es tan corta que el polímero no tiene tiempopara oxidarse y descomponerse. Esencialmente engañaron al molde de polímero para que conservara su forma a temperaturas superiores a su punto de descomposición.
Cuando el molde fue grabado, los investigadores mostraron que el silicio había sido moldeado perfectamente por el molde. Esto podría conducir a la fabricación de nanoestructuras de silicio monocristal perfectas. Todavía no lo han hecho, pero su ciencia el documento muestra que es posible. En un trabajo publicado en 2010, Wiesner y sus colegas mostraron el camino para este proceso, utilizando un molde de óxido.
Wiesner calificó el avance como "bello" y una idea posiblemente fundamental para estudiar materiales a nanoescala. En la ciencia de los materiales, el objetivo siempre es obtener estructuras bien definidas que puedan estudiarse sin interferencia de defectos materiales.
La mayoría de las nanoestructuras autoensambladas hoy en día son amorfas o policristalinas, formadas por más de una pieza de material con un orden perfecto. Es difícil juzgar si sus propiedades se deben a la nanoestructura misma o si están dominadas por defectosen el material
El descubrimiento del silicio monocristalino, el semiconductor en cada circuito integrado, hizo posible la revolución electrónica. Se necesitaron cortar cristales individuales en obleas para comprender realmente las propiedades semiconductoras del silicio. Hoy en día, la nanotecnología permite un grabado a nanoescala increíblemente detallado, hasta 10nanómetros en una oblea de silicio.
Pero las técnicas de nanofabricación como la fotolitografía, en la que se escribe un material polimérico con una estructura que está grabada en el silicio, alcanza sus límites cuando se trata de estructuras tridimensionales.
Los semiconductores como el silicio no se autoensamblan en estructuras perfectamente ordenadas como lo hacen los polímeros. Es casi inaudito obtener un solo cristal estructurado tridimensional de un semiconductor. Para hacer nanoestructuras de un solo cristal, hay dos opciones: grabado múltiple omoldeado. El grupo de Wiesner ahora ha hecho el molde.
La forma en que hicieron el molde fue en sí misma un gran avance. Previamente habían aprendido a autoensamblar nanomateriales porosos altamente ordenados utilizando moléculas especialmente estructuradas llamadas copolímeros de bloque.
Primero utilizaron un láser de dióxido de carbono en el laboratorio de Thompson para "escribir" los materiales nanoporosos en una oblea de silicio. Una película, recubierta por rotación en la oblea, contenía un copolímero de bloque, que dirigía el ensamblaje de una resina de polímero. Líneas de escrituraEn la película con el láser, el copolímero de bloques se descompuso, actuando como una resistencia de tono positivo, mientras que la resina de tono negativo se dejó atrás para formar la nanoestructura porosa. Eso se convirtió en el molde.
"Demostramos que podemos usar plantillas orgánicas con estructuras tan complicadas como un giroide, una estructura de red cúbica ordenada periódicamente y 'imprimirla' en silicio fundido, que luego se transforma en silicio cristalino", dijo Wiesner.
"Tener la capacidad de moldear el caballo de batalla de toda la electrónica, el silicio, en formas intrincadas no tiene precedentes", dijo Andy Lovinger, director del programa en la división de investigación de materiales de la National Science Foundation, que financió la investigación de Wiesner. "Este hermoso trabajomuestra cómo podría hacerse aprovechando las propiedades de diseño únicas que ofrecen los materiales poliméricos "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Cornell . Original escrito por Anne Ju. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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