(PhysOrg.com) - Cientistas da Universidade da Pensilvânia, a University of Wisconsin-Madison e a IBM Research - Zurich fabricaram uma ponta de carboneto de silício ultrafiada com alta resistência que é milhares de vezes mais resistente ao desgaste em nanoescala do que os designs anteriores. A nova dica, que é 100, 000 vezes menor que a ponta de um lápis, representa um passo importante para a nanofabricação para aplicações, incluindo sensores biológicos para saúde e meio ambiente.

A busca por materiais duros para prolongar a vida útil das ferramentas afiadas é um problema antigo que começou com os primeiros cinzéis usados ​​na escultura em pedra. Eventualmente, o ferro foi descoberto e as ferramentas de aço revolucionaram a época. Hoje, o desafio continua o mesmo, mas em uma escala muito menor - a necessidade de uma ponta nanométrica que seja ultra-nítida, ainda fisicamente robusto, particularmente sob temperaturas extremas e ambientes químicos agressivos.

"O material da ponta dos sonhos para nanofabricação termomecânica deve ter uma alta dureza, estabilidade de temperatura, inércia química, e alta condutividade térmica, "disse o Dr. Mark Lantz, gerente em pesquisa de armazenamento na IBM Research - Zurique. "Com esta dica inovadora, continuamos a entregar a visão da IBM de um sistema mais inteligente, mundo instrumentado com sensores microscópicos monitorando tudo, desde a poluição da água até o atendimento ao paciente. "

Estendendo sua colaboração anterior bem-sucedida, cientistas da Universidade da Pensilvânia, a Universidade de Wisconsin-Madison e a IBM Research - Zurique desenvolveram um novo, ponta nanométrica resistente que se desgasta a uma taxa de menos de um átomo por milímetro de deslizamento sobre um substrato de dióxido de silício. Isso é muito menor do que a taxa de desgaste das pontas de silício convencionais e sua dureza é 100 vezes maior do que as pontas de carbono tipo diamante dopadas com óxido de silício de última geração desenvolvidas pela mesma colaboração no ano passado.

"Em comparação com nosso trabalho anterior com silício, a nova ponta de carboneto pode deslizar sobre uma superfície de dióxido de silício cerca de 10, 000 vezes mais longe antes que o mesmo volume de desgaste seja alcançado e 300 vezes mais longe do que nossa ponta de carbono tipo diamante anterior. Esta é uma conquista significativa que tornará a nanofabricação prática e acessível, "disse o Prof. Robert W. Carpick, Universidade da Pensilvânia.

Para criar a nova dica, os cientistas desenvolveram um processo pelo qual as superfícies das pontas de silício em nanoescala são expostas a íons de carbono e, em seguida, recozidas para que uma forte camada de carboneto de silício seja formada, mas a nitidez em nanoescala da ponta de silício original é mantida. Embora o carboneto de silício seja há muito conhecido como um candidato ideal para essas pontas, o processo exclusivo de implantação e recozimento de carbono tornou possível endurecer a superfície, mantendo a forma original e garantindo uma forte adesão entre a superfície endurecida da ponta e o material subjacente - semelhante à forma como o aço é temperado para torná-lo mais duro.

Consistindo principalmente de carbono e silício, a ponta é afiada em um ápice de tamanho nanométrico e integrada na extremidade de um microcantilever de silício para uso em microscopia de força atômica. A importância do desenvolvimento reside não apenas em sua capacidade de manter a nitidez da ponta e sua resistência ao desgaste, mas também em sua resistência ao deslizar contra um substrato duro como o dióxido de silício. Como o silício - usado em quase todos os dispositivos de circuito integrado - oxida na atmosfera, formando uma fina camada de seu óxido, este sistema está entre os mais relevantes para aplicações emergentes em aplicações de nanolitografia e nanofabricação.

Mais especificamente, os cientistas esperam que a nova ponta possa ser usada para fabricar sensores biológicos, por exemplo, para gerenciar os níveis de glicose em pacientes diabéticos ou monitorar os níveis de poluição na água.

Espera-se que as tecnologias baseadas em sondas desempenhem um papel predominante em muitas dessas tecnologias. Contudo, baixo desempenho de desgaste dos materiais da ponta usados ​​até agora, especialmente quando deslizou contra o óxido de silício, limitaram anteriormente sua utilidade para aplicações experimentais.

A próxima etapa para os cientistas é começar a testar a nova dica para uso em aplicativos, começando com nanofabricação.

O estudo, publicado hoje na revista revisada por pares Materiais Funcionais Avançados , foi conduzido em colaboração pelo Dr. Mark A. Lantz e Dr. Bernd Gotsmann, IBM Research - Zurique; Tevis D. B. Jacobs, Dr. Papot Jaroenapibal, Prof. Robert W. Carpick, Universidade da Pensilvânia; e Sean D. O'Connor e Prof. Kumar Sridharan, University of Wisconsin.