A partir da esquerda:imagens de microscopia eletrônica de varredura de nanopiramidas de prata e rede de pesca de prata fabricada por impressão de choque a laser.
Um novo método que cria padrões de grande área de nanoforma tridimensionais a partir de folhas de metal representa um sistema de manufatura potencial para inovações de produção em massa de baixo custo, como "metamateriais plasmônicos" para tecnologias avançadas.
Os metamateriais têm superfícies projetadas que contêm recursos, padrões ou elementos na escala de nanômetros que permitem um controle sem precedentes da luz e podem trazer inovações como a eletrônica de alta velocidade, sensores avançados e células solares.
O novo método, chamado impressão de choque a laser, cria formas a partir das formas cristalinas dos metais, potencialmente dando-lhes propriedades mecânicas e ópticas ideais usando um sistema de bancada capaz de produzir as formas em massa de forma barata
As descobertas são detalhadas em um artigo de pesquisa publicado na sexta-feira (12 de dezembro) no jornal Ciência . O artigo é de autoria de pesquisadores da Purdue University, Universidade de Harvard, Instituto de Estudos Avançados de Madrid, e a Universidade da Califórnia, San Diego. A pesquisa é liderada por Gary Cheng, professor associado de engenharia industrial em Purdue.
As formas, que incluem nanopiramidas, engrenagens, bares, ranhuras e um padrão de rede arrastão, são muito pequenos para serem vistos sem instrumentos de imagem especializados e são milhares de vezes mais finos do que a largura de um cabelo humano. Os pesquisadores usaram sua técnica para estampar nanoformas de titânio, alumínio, cobre, ouro e prata.
Um dos principais benefícios da formação induzida por choque são os cantos bem definidos e as características verticais, ou estruturas de alta fidelidade.
"Essas nanoformas também têm superfícies extremamente lisas, o que é potencialmente muito vantajoso para aplicações comerciais, "Cheng disse." Tradicionalmente, tem sido muito difícil deformar um material cristalino em uma nanomoldagem muito menor do que o tamanho de grão dos materiais iniciais, e devido aos efeitos de tamanho, os materiais são superfortes quando o tamanho do grão tem que ser reduzido para tamanhos muito pequenos. Portanto, é muito desafiador gerar fluxo de metal em nanomoldas com modelagem 3-D de alta fidelidade. "
Os pesquisadores também criaram estruturas híbridas que combinam metal com grafeno, uma folha ultrafina de carbono promissora para várias tecnologias. Esse material híbrido poderia aumentar o efeito plasmônico e trazer "absorvedores perfeitos de metamateriais, "ou MPAs, que têm aplicações potenciais em optoeletrônica e comunicações sem fio.
"Podemos gerar nanopadrões em materiais híbridos de metal-grafeno, que abre novas maneiras de padronizar cristais 2-D, "Cheng disse.
A técnica funciona usando um laser pulsado para gerar a impressão de metais de "alta taxa de deformação" na nanomolda.
A partir da esquerda:imagens de microscopia eletrônica de varredura de uma série de nanogears importados em folhas de alumínio laminadas a frio e nanobares.
"Começamos com uma película fina de metal, e podemos deformá-lo em nano formas 3-D padronizadas em grandes áreas, "Cheng disse." O que é mais interessante é que as nanoestruturas 3-D resultantes ainda são cristalinas após o processo de impressão, que fornece boas propriedades eletromagnéticas e ópticas. "
Enquanto outros pesquisadores criaram nanoforma de materiais relativamente macios ou amorfos, a nova pesquisa mostra como criar nanoforma de metais duros e cristalinos.
As nanomoldas de silício foram fabricadas no Centro de Nanotecnologia Birck em Purdue's Discovery Park por um grupo de pesquisa liderado por Minghao Qi, professor associado de engenharia elétrica e da computação.
"É contra-intuitivo usar silício para moldes porque é um material muito frágil em comparação com os metais, "Qi disse." No entanto, depois de depositar uma camada ultrafina de óxido de alumínio nas nanomoldas, ele tem um desempenho extremamente bom para esse propósito. Os nanomolds podem ser reutilizados muitas vezes sem danos óbvios. Parte do motivo é que, embora a taxa de deformação seja muito alta, a pressão de choque aplicada é de apenas 1-2 gigapascais. "
As formas mostraram ter uma "proporção" de até 5, o que significa que a altura é cinco vezes maior que a largura, uma característica importante para o desempenho de metamateriais plasmônicos.
A partir da esquerda:imagens de microscopia eletrônica de varredura de uma matriz de ranhuras em V triangulares e uma matriz de nanotrenches em um filme fino de titânio.
"É uma tarefa muito desafiadora do ponto de vista da fabricação para criar ultra-suaves, nanoestruturas de alta fidelidade, "Qi diz." Normalmente, quando os metais se recristalizam, eles formam grãos e isso os torna mais ou menos ásperos. Ensaios anteriores para formar nanoestruturas de metal tiveram que recorrer a impressão de metais cristalinos de alta pressão ou metal amorfo de impressão, que produz alta rugosidade em metais cristalinos ou superfícies lisas em metais amorfos, mas resistência elétrica muito alta. Para potenciais aplicações em nanoeletrônica, optoeletrônica e plasmônica você deseja propriedades como alta precisão, baixa perda eletromagnética, alta condutividade elétrica e térmica. Você também quer que seja uma fidelidade muito alta em termos de padrão, cantos agudos, paredes laterais verticais, e esses são muito difíceis de obter. Antes da descoberta de Gary, Achei improvável que alcançássemos todas as boas qualidades juntos. "
O artigo foi escrito por estudantes de doutorado de Purdue Huang Gao, Yaowu Hu, Ji Li, e Yingling Yang; o pesquisador Ramses V. Martinez, de Harvard e Madrid Institute for Advanced Studies; Yi Xuan, professor assistente de pesquisa de Purdue, Chunyu Li, pesquisador associado da Purdue; Jian Luo, um professor da Universidade da Califórnia, San Diego; Qi e Cheng.
Pesquisas futuras podem se concentrar no uso da técnica para criar um sistema de manufatura rolo a rolo, que é usado em muitas indústrias, incluindo a produção de papel e folha de metal, e pode ser importante para novas aplicações, como eletrônicos flexíveis e células solares.
