Los investigadores de la Universidad de Colorado Boulder han utilizado láseres ultravioleta ultrarrápidos para medir las propiedades de los materiales más de 100 veces más delgados que un glóbulo rojo humano.
El equipo, dirigido por científicos de JILA, informó su nueva hazaña de la delgadez de la oblea esta semana en la revista Materiales de revisión física . El objetivo del grupo, una película de solo 5 nanómetros de espesor, es el material más delgado que los investigadores han podido investigar por completo, dijo el coautor del estudio Joshua Knobloch.
"Este es un estudio que establece récords para ver cuán pequeños podemos llegar y cuán precisos podemos ser", dijo Knobloch, un estudiante graduado en JILA, una asociación entre CU Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST.
Agregó que cuando las cosas se ponen pequeñas, las reglas normales de ingeniería no siempre se aplican. El grupo descubrió, por ejemplo, que algunos materiales parecen volverse mucho más blandos a medida que se vuelven más delgados.
Los investigadores esperan que sus hallazgos algún día puedan ayudar a los científicos a navegar mejor en el nanomundo a menudo impredecible, diseñando circuitos informáticos, semiconductores y otras tecnologías más pequeños y eficientes.
"Si estás haciendo nanoingeniería, no puedes tratar tu material como si fuera un gran material normal", dijo Travis Frazer, autor principal del nuevo artículo y ex alumno de posgrado en JILA. "Debido al simple hechoque es pequeño, se comporta como un material diferente "
"Este descubrimiento sorprendente, que los materiales muy delgados pueden ser 10 veces más endebles de lo esperado, es otro ejemplo de cómo las nuevas herramientas pueden ayudarnos a comprender mejor el nanomundo", dijo Margaret Murnane, coautora de la nueva investigación, profesor de física en CU Boulder y compañero de JILA.
Nano se menea
La investigación se produce en un momento en que muchas empresas de tecnología están tratando de hacer precisamente eso: ir pequeños. Algunas compañías están experimentando formas de construir chips de computadora eficientes que superponen películas delgadas de material una encima de la otra, como un filopastelería, pero dentro de su computadora portátil.
El problema con ese enfoque, dijo Frazer, es que los científicos tienen problemas para predecir cómo se comportarán esas capas escamosas. Son demasiado delicadas para medir de manera significativa con las herramientas habituales.
Para ayudar en ese objetivo, él y sus colegas desplegaron láseres ultravioleta extremos, o haces de radiación que entregan longitudes de onda más cortas que los láseres tradicionales, longitudes de onda que se adaptan bien al nanomundo. Los investigadores desarrollaron una configuración que les permitepara hacer rebotar esos rayos en capas de material con solo unas pocas hebras de ADN de espesor, rastreando las diferentes formas en que esas películas pueden vibrar.
"Si puede medir qué tan rápido se mueve su material, entonces puede averiguar qué tan rígido es", dijo Frazer.
disrupción atómica
El método también ha revelado cuánto pueden cambiar las propiedades de los materiales cuando los haces muy, muy pequeños.
En el estudio más reciente, por ejemplo, los investigadores probaron la fuerza relativa de dos películas hechas de carburo de silicio: una de aproximadamente 46 nanómetros de espesor y la otra de solo 5 nanómetros de espesor. El láser ultravioleta del equipo arrojó resultados sorprendentes.la película era aproximadamente 10 veces más suave, o menos rígida, que su contraparte más gruesa, algo que los investigadores no esperaban.
Frazer explicó que, si hace una película demasiado delgada, puede cortar los enlaces atómicos que mantienen unido un material, un poco como desenredar una cuerda deshilachada.
"Los átomos en la parte superior de la película tienen otros átomos debajo de ellos a los que pueden aferrarse", dijo Frazer. "Pero por encima de ellos, los átomos no tienen nada a lo que puedan agarrarse".
Pero no todos los materiales se comportarán de la misma manera, agregó. El equipo también volvió a realizar el mismo experimento en un segundo material que era casi idéntico al primero con una gran diferencia: este tenía muchos más átomos de hidrógeno agregados.Tal proceso de "dopaje" puede interrumpir naturalmente los enlaces atómicos dentro de un material, haciendo que pierda fuerza.
Cuando el grupo probó ese segundo material más frágil usando sus láseres, encontraron algo nuevo: este material era tan fuerte cuando tenía 44 nanómetros de grosor como tenía un magro 11 nanómetros de grosor.
Dicho de otra manera, los átomos de hidrógeno adicionales ya habían debilitado el material; un poco de contracción adicional ya no podría dañar más.
Al final, el equipo dice que su nueva herramienta láser ultravioleta les brinda a los científicos una ventana a un reino que antes estaba fuera del alcance de la ciencia.
"Ahora que las personas están construyendo dispositivos muy, muy pequeños, preguntan cómo las propiedades como el grosor o la forma pueden cambiar la forma en que se comportan sus materiales", dijo Knobloch. "Esto nos brinda una nueva forma de acceder a la información sobre la tecnología a nanoescala".
Esta investigación fue apoyada por el Centro de Ciencia y Tecnología STROBE de la Fundación Nacional de Ciencia sobre Imágenes Funcionales en Tiempo Real.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Colorado en Boulder . Original escrito por Daniel Strain. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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