Tecnologia Científica

Replicando superfícies, até uma fração de um átomo
A capacidade de replicar materiais em nível atômico atraiu atenção significativa dos cientistas de materiais. No entanto, a tecnologia atual é limitada por uma série de fatores.
Por Yale - 25/11/2020


Departamentos: Engenharia Mecânica e Ciência dos Materiais

A capacidade de replicar materiais em nível atômico atraiu atenção significativa dos cientistas de materiais. No entanto, a tecnologia atual é limitada por uma série de fatores. Udo Schwarz, professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais e chefe do departamento, publicou recentemente dois artigos sobre pesquisa que podem revelar o que é possível neste campo emergente. Seus métodos incluem um processo que pode replicar as características de uma superfície em detalhes de menos de um décimo bilionésimo de um metro, ou menos de um décimo do diâmetro de um átomo. 

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Superfícies nanoestruturadas e nanopadronizadas são um componente integral em muitas aplicações nanotecnológicas. Fácil de usar e econômico, o método de nanoimpressão tem grande potencial para aplicações como armazenamento de dados de alta densidade, dispositivos fotônicos, hologramas, chips bio-nanofluídicos, filtração de água e eletrodos em células de combustível. No entanto, a precisão da replicação é limitada na maioria dos materiais devido às estruturas atômicas desses materiais. 

Em APL Materials , Schwarz mostra que ao trabalhar com vidros metálicos, não há virtualmente nenhum limite para a precisão que você pode ter ao replicar recursos de superfície. Na verdade, o nível de precisão atinge o nível subatômico. A chave é a estrutura atômica dos materiais. Ao contrário dos materiais cristalinos, que têm átomos especificamente organizados, os átomos nos vidros são arranjados sem princípios restritivos de ordem periódica.

“Os cristais sempre querem colocar átomos em lugares específicos e, se seu molde não corresponder a isso, você está sem sorte”, disse Schwarz.

Mas os vidros metálicos não possuem átomos tão rigidamente dispostos, permitindo que se ajustem onde são necessários. Ao aquecer o vidro, os pesquisadores foram capazes de enfraquecer a coesão interna do material apenas o suficiente para permitir que os átomos se movessem da maneira necessária com precisão quase perfeita.  

“Pela primeira vez, demonstramos que qualquer estrutura que você tenha, você pode replicá-la - o vidro metálico se conformará corretamente com ela”, disse ele. “Você pode fazer isso praticamente sem limite de precisão.” 

“Isso mostra que podemos replicar estruturas de superfície até o subangstrom [ menos de um bilionésimo de metro]  em grande escala, e que isso pode abrir o caminho para o uso desses materiais em grande escala para a produção de peças reais e por preços acessíveis ”. 


Isso significa que eles podem fornecer uma plataforma ideal para o avanço da pesquisa no estudo fundamental da estrutura, deformação e transições de fase de vidros, bem como possibilitar novas aplicações em campos que fazem uso da funcionalização de superfície por meio da topografia. 

Os co-autores do artigo APL Materials , que a revista promove como um “Artigo em destaque”, são Chao Zhou, Amit Datye, Zheng Chen, Georg H. Simon, Xinzhe Wang e Jan Schroers. 

Em um segundo artigo, em ACS Applied Materials and Interfaces , Schwarz também analisa a nanofabricação de vidros metálicos a granel, mas com uma abordagem diferente.  

Para esse estudo, que recebeu a designação de “Escolha do Editor” pela revista, Schwarz desenvolveu um método baseado na pulverização catódica por magnetron. Na pulverização catódica, íons de gás, normalmente argônio, estão atingindo um “alvo” e ejetando átomos alvo no processo. Os átomos ejetados então viajam através do vácuo para eventualmente alcançar um substrato no qual eles formam um filme. Devido à ampla gama de ligas que podem ser usadas como alvos e às grandes áreas de substrato que podem ser cobertas, o método fornece aos pesquisadores uma grande caixa de ferramentas para selecionar uma química de superfície desejada, sendo extremamente versátil em termos de tamanho, forma e natureza do padrão de superfície e dos moldes que podem ser usados. Schwarz disse que poderia efetivamente elevar a replicação em escala atômica de uma "curiosidade científica" para uma ferramenta de nanofabricação amplamente usada.  

Durante o processo de replicação, o alto grau de precisão é baseado parcialmente na técnica de pulverização catódica, mas também decisivamente no fato de que as ligas utilizadas para pulverizar os filmes não cristalizam. Por causa disso, não há limitações dimensionais de filmes que tentam estabelecer uma ordem cristalina.

“Isso mostra que podemos replicar estruturas de superfície até o subangstrom [ menos de um bilionésimo de metro]  em grande escala, e que isso pode abrir o caminho para o uso desses materiais em grande escala para a produção de peças reais e por preços acessíveis ”, afirmou. 

Visto que apenas quantidades escassas de material são necessárias, a nova abordagem é econômica. Também é aplicável a uma vasta gama de ligas, flexível no tipo de moldes que pode replicar e pode ser facilmente ampliado. As aplicações potenciais desta nova abordagem incluem o desenvolvimento de nanofios e nanotubos para aplicações nanoeletrônicas. 

Os coautores são Zheng Chen, Amit Datye, Georg H. Simon, Chao Zhou, Sebastian A. Kube, Naijia Liu, Jingbei Liu e Jan Schroers.

 

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