p Cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia descobriram o mecanismo físico pelo qual matrizes de pilares em nanoescala podem ser cultivadas em filmes de polímero com altíssima precisão, em padrões potencialmente ilimitados. p Este processo nanofluídico - desenvolvido por Sandra Troian, professor de física aplicada, aeronáutica, e engenharia mecânica na Caltech, e descrito em um artigo recente na revista Cartas de revisão física - poderia algum dia substituir as técnicas convencionais de padronização litográfica agora usadas para construir estruturas tridimensionais em nano e microescala para uso em óptica, fotônico, e dispositivos biofluídicos.

p A fabricação de alta resolução, nanoarrays de grande área dependem fortemente de técnicas convencionais de padronização fotolitográfica, que envolvem tratamentos com luz ultravioleta e produtos químicos agressivos que alternadamente dissolvem e gravam wafers de silício e outros materiais. A fotolitografia é usada para fabricar circuitos integrados e dispositivos microeletromecânicos, por exemplo.

p Contudo, os ciclos repetidos de dissolução e corrosão causam uma quantidade significativa de rugosidade superficial nas nanoestruturas, em última análise, limitando seu desempenho.

p "Este processo também é inerentemente bidimensional, e, portanto, as estruturas tridimensionais devem ser padronizadas camada por camada, "diz Troian.

p Em um esforço para reduzir custos, Tempo de processamento, e aspereza, pesquisadores têm explorado técnicas alternativas pelas quais filmes fundidos podem ser padronizados e solidificados in situ, e em uma única etapa.

p Cerca de uma década atrás, grupos na Alemanha, China, e os Estados Unidos encontraram um fenômeno bizarro ao usar técnicas envolvendo gradientes térmicos. Quando os nanofilmes de polímero fundido foram inseridos dentro de um espaço estreito que separa duas bolachas de silício que foram mantidas em diferentes temperaturas, arranjos de pilares em nanoescala desenvolvidos espontaneamente.

p Essas saliências cresceram até atingirem a pastilha superior; os pilares resultantes tinham normalmente várias centenas de nanômetros de altura e vários mícrons de distância.

p Esses pilares às vezes se fundiam, formando padrões que pareciam correntes de bicicleta quando vistos de cima; em outros filmes, os pilares cresceram espaçados uniformemente, matrizes semelhantes a favo de mel. Uma vez que o sistema foi trazido de volta à temperatura ambiente, as estruturas se solidificaram para produzir recursos auto-organizados.

p Em 2002, pesquisadores na Alemanha que observaram esse fenômeno levantaram a hipótese de que os pilares surgem de flutuações de pressão infinitesimais - mas muito reais - ao longo da superfície de um filme plano quiescente. Eles propuseram que as diferenças na pressão superficial foram causadas por variações igualmente minúsculas na forma como os pacotes individuais (ou quanta) de energia vibracional, conhecidos como fônons, refletir a partir das interfaces do filme.

p "No modelo deles, acredita-se que a diferença na impedância acústica entre o ar e o polímero gera um desequilíbrio no fluxo de fônons que causa uma pressão de radiação que desestabiliza o filme, permitindo a formação de pilares, "diz Troian." Seu mecanismo é o análogo acústico da força Casimir, que é bastante familiar para os físicos que trabalham em nanoescala. "

p Mas Troian, que estava familiarizado com os efeitos térmicos em pequenas escalas - e sabia que a propagação desses fônons é realmente improvável em derretimentos de polímeros amorfos, que carecem de estrutura periódica interna - reconheceu imediatamente que outro mecanismo pode estar escondido neste sistema.

p Para determinar a causa real da formação de nanopilares, ela e o estudante de pós-doutorado da Caltech, Mathias Dietzel, desenvolveram um modelo fluido-dinâmico do mesmo tipo de corpo magro, nanofilme fundido em um gradiente térmico.

p O modelo deles, Troian diz, "exibiu uma instabilidade auto-organizada que foi capaz de reproduzir as formações estranhas, "e mostrou que os nanopilares, na verdade, não se forma por meio de flutuações de pressão, mas por meio de um processo físico simples conhecido como fluxo termocapilar.

p No fluxo capilar - ou ação capilar - a força atrativa, ou coesão, entre as moléculas do mesmo líquido (digamos, água) produz tensão superficial, a força compressiva responsável por manter unida uma gota de água. Uma vez que a tensão superficial tende a minimizar a área de superfície de um líquido, frequentemente atua como um mecanismo de estabilização contra a deformação causada por outras forças. Diferenças de temperatura ao longo de uma interface líquida, Contudo, gerar diferenças na tensão superficial. Na maioria dos líquidos, regiões mais frias terão uma tensão superficial maior do que as mais quentes - e esse desequilíbrio pode fazer com que o líquido flua de regiões de temperatura mais quente para mais fria, um processo conhecido como fluxo termocapilar.

p Anteriormente, Troian usou essas forças para aplicações microfluídicas, para mover as gotas de um ponto a outro.

p "Você pode ver esse efeito muito bem se mover um cubo de gelo em forma de oito sob uma folha de metal revestida com um líquido como o glicerol, "ela diz." O líquido jorra acima do cubo enquanto desenha a figura. Você pode desenhar seu nome desta forma, e, presto! Você conseguiu uma nova forma de litografia termocapilar! "

p Em seus Cartas de revisão física papel, Troian e Dietzel mostraram como esse efeito pode teoricamente dominar todas as outras forças em dimensões em nanoescala, e também mostrou que o fenômeno não é peculiar aos filmes poliméricos.

p Nos experimentos de gradiente térmico, eles dizem, as pontas das minúsculas protuberâncias no filme de polímero experimentam uma temperatura ligeiramente mais fria do que o líquido circundante, por causa de sua proximidade com o wafer mais frio.

p "A tensão superficial em uma ponta em evolução é um pouco maior, e isso configura uma força muito forte orientada paralela à interface ar / polímero, que inicializa o fluido em direção ao wafer mais frio. Quanto mais perto a ponta chega do wafer, quanto mais frio fica, levando a uma instabilidade de auto-reforço, "Troian explica.

p Em última análise, ela diz, "você pode acabar com estruturas colunares muito longas. O único limite para a altura da coluna, ou nanopilar, é a distância de separação das bolachas. "

p Em modelos de computador, os pesquisadores foram capazes de usar variações direcionadas na temperatura do substrato mais frio para controlar precisamente o padrão replicado no nanofilme. Em um desses modelos, eles criaram um "nanorelief" tridimensional do logotipo da Caltech.

p Troian e seus colegas estão agora iniciando experimentos em laboratório nos quais esperam fabricar uma variedade de elementos ópticos e fotônicos em nanoescala. "Estamos buscando nanoestruturas com superfícies especularmente lisas - tão suaves quanto você poderia fazer - e formas 3-D que não são facilmente alcançáveis ​​com a litografia convencional, "Diz Troian.

p "Este é um exemplo de como a compreensão básica dos princípios da física e da mecânica pode levar a descobertas inesperadas de longo alcance, Implicações práticas, "diz Ares Rosakis, cadeira da Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas (EAS) e Theodore von Kármán Professor de Aeronáutica e Engenharia Mecânica da Caltech. "Esta é a verdadeira força da divisão EAS."

p Mais Informações: Phys. Rev. Lett. 103, 074501 (2009), link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.074501

p Fonte:California Institute of Technology (notícias:web)