p (PhysOrg.com) - Cientistas do California Institute of Technology conduziram experimentos para confirmar qual dos três mecanismos possíveis é responsável pela formação espontânea de arranjos de pilares tridimensionais (3-D) em nanofilmes (filmes de polímero que são bilionésimos de um metros de espessura). Essas saliências aparecem repentinamente quando a superfície de um nanofilme derretido é exposta a um gradiente de temperatura extremo e se auto-organiza em hexagonal, lamelar, quadrado, ou padrões espirais. p Este meio não convencional de padronizar filmes está sendo desenvolvido por Sandra Troian, professor de física aplicada, aeronáutica, e engenharia mecânica na Caltech, que usa a modulação das forças de superfície para dar forma e moldar nanofilmes liquefáveis ​​em formas 3-D. "Meu objetivo final é desenvolver um conjunto de técnicas litográficas 3-D baseadas em controle remoto, modulação digital térmica, elétrico, e forças de superfície magnéticas, "Troian diz. A confirmação do mecanismo correto permitiu que ela deduzisse a resolução máxima ou o tamanho mínimo de recurso possível com essas técnicas de padronização.

p No método de Troian, formas arbitrárias são primeiro esculpidas de um filme fundido por forças de superfície e, em seguida, solidificadas instantaneamente in situ por resfriamento da amostra. "Essas técnicas são ideais para a fabricação de componentes ópticos ou fotônicos que exibem interfaces ultra-suaves, "ela explica. O processo também introduz algumas novas físicas interessantes que só se tornam evidentes na nanoescala." Mesmo na terra dos liliputianos, essas forças são insignificantes na melhor das hipóteses, mas em nanoescala ou menor ainda, eles governam o mundo, " ela diz.

p Os experimentos que levaram a essa descoberta foram destacados na capa da edição de 29 de abril da revista. Cartas de revisão física .

p Os experimentos, projetado para isolar a física por trás do processo, são desafiadores na melhor das hipóteses. A configuração requer duas suaves, substratos planos, que são separados apenas por algumas centenas de nanômetros, para permanecer perfeitamente paralelo em distâncias de um centímetro ou mais.

p Tal configuração experimental apresenta várias dificuldades, incluindo que "nenhum substrato deste tamanho é verdadeiramente plano, "Troian diz, "e até mesmo o menor termopar do mundo é grande demais para caber na lacuna." Além disso, ela diz, "o gradiente térmico na lacuna pode exceder valores de um milhão de graus por centímetro, então a configuração passa por uma expansão significativa, distorção, e contração durante uma corrida típica. "

p Na verdade, todos os estudos anteriores enfrentaram desafios semelhantes - levando a estimativas imprecisas do gradiente térmico e à incapacidade de visualizar a formação e o crescimento das estruturas, entre outros problemas. "Para complicar as coisas, "Troian diz, "todos os dados anteriores na literatura foram obtidos em estágios muito avançados de crescimento, muito além do regime de validade dos modelos teóricos, "Diz Troian.

p Os experimentos do Caltech resolveram esses desafios revertendo para as medições in situ. Os pesquisadores substituíram o substrato frio superior por uma janela transparente feita de um único cristal de safira, o que lhes permitiu ver diretamente as formações em desenvolvimento. Eles também usaram interferometria de luz branca para ajudar a manter o paralelismo durante cada execução e para registrar a forma emergente e a taxa de crescimento de estruturas emergentes. Simulações de elementos finitos também foram usadas para obter estimativas muito mais precisas do gradiente térmico na pequena lacuna.

p "Quando tudo está dito e feito, nossos resultados indicam que esse processo de formação não é impulsionado pela atração eletrostática entre a superfície do filme e o substrato próximo - semelhante ao que acontece quando você passa um pente no cabelo - ou flutuações de pressão dentro do filme a partir de reflexos de fônons acústicos - as excitações coletivas de moléculas - como uma vez se acreditou, Troian explica. "Os dados simplesmente não se encaixam nesses modelos, não importa o quanto você tente, ", diz ela. Os dados também não parecem se encaixar em um terceiro modelo baseado na estruturação do filme por fluxo termocapilar - o fluxo das regiões mais quentes para as mais frias que acompanha as variações da temperatura da superfície.

p Troian propôs o modelo termocapilar há vários anos. Os cálculos para esta "instabilidade de busca de frio" sugerem que os nanofilmes são sempre instáveis ​​em resposta à formação de matrizes de pilares 3-D, independentemente do tamanho do gradiente térmico. Minúsculas protuberâncias no filme experimentam uma temperatura ligeiramente mais fria do que o líquido circundante por causa de sua proximidade de um alvo frio. A tensão superficial dessas pontas é maior do que a do filme circundante. Este desequilíbrio gera uma força de superfície muito forte que "puxa" o fluido para cima e "para a terceira dimensão, ", diz ela. Este processo facilmente dá origem a grandes matrizes de covinhas, cumes, pilares, e outras formas. Uma versão não linear do modelo sugere como os pinos frios também podem ser usados ​​para formar matrizes mais regulares.

p Troian ficou inicialmente desapontado com o fato de as medições não corresponderem às previsões teóricas. Por exemplo, a previsão do espaçamento entre as saliências estava errada por um fator de dois ou mais. "Ocorreu-me que certas propriedades do nanofilme a serem inseridas no modelo podem ser bastante diferentes dos valores da literatura obtidos a partir de amostras macroscópicas, "ela observa.

p Ela pediu o conselho do engenheiro mecânico Ken Goodson em Stanford, um especialista em transporte térmico em nanofilmes, que confirmou que também notou um aumento significativo na capacidade de transferência de calor de certos nanofilmes. Investigações posteriores revelaram que outros grupos em todo o mundo começaram a relatar melhorias semelhantes em características óticas e outras características dos nanofilmes. "E pronto!… Ajustando um parâmetro-chave, "Troian diz, "obtivemos um acordo perfeito entre experimento e teoria. Como isso é legal!"

p Não satisfeito com essas descobertas, Troian quer lançar um estudo separado para encontrar a fonte dessas propriedades aprimoradas em nanofilmes. "Agora que nosso horizonte está claro, Garanto que não ficaremos parados até que possamos fabricar alguns componentes incomuns, cuja forma e resposta óptica só podem ser formadas por tal processo. "