Combinando velocidade com incrível precisão, uma equipe de pesquisadores desenvolveu uma maneira de imprimir uma sonda de imagem em nanoescala na ponta de uma fibra de vidro tão fina quanto um cabelo humano, acelerando a produção do novo dispositivo promissor de vários por mês para vários por dia.

A técnica de fabricação de alto rendimento abre a porta para a adoção generalizada desta e de outras estruturas nano-ópticas, que comprimem e manipulam a luz de maneiras que são inatingíveis pela ótica convencional. A nano-óptica tem potencial para ser usada para geração de imagens, de detecção, e espectroscopia, e poderia ajudar os cientistas a melhorar as células solares, projetar drogas melhores, e fazer semicondutores mais rápidos. Um grande obstáculo para o uso comercial da tecnologia, Contudo, é o seu processo de produção demorado.

O novo método de fabricação, chamada de nanoimpressão de fibra, poderia desligar esse gargalo. Foi desenvolvido por cientistas da Molecular Foundry, localizado no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), em parceria com cientistas de Hayward, ABeam Technologies, sediada na Califórnia. A pesquisa deles foi publicada online em 10 de maio no jornal Relatórios Científicos .

Seu trabalho se baseia na sonda Campanile, que foi desenvolvido por cientistas da Molecular Foundry quatro anos atrás. É cônico, a forma de quatro lados lembra o topo da torre do relógio Campanile no campus da UC Berkeley. A sonda é montada na extremidade de uma fibra óptica, e focaliza um feixe de luz intenso em um ponto muito menor do que é possível com a óptica atual. Isso permite a imagem espectroscópica com uma resolução 100 vezes maior do que a espectroscopia convencional, que mapeia apenas a composição química média de um material.

Em contraste, a sonda Campanile pode gerar imagens da composição molécula por molécula de nanopartículas e outros materiais. Os cientistas podem usá-lo para examinar um nanofio em busca de defeitos minúsculos, por exemplo, levando a novas maneiras de melhorar os nanofios para uso em células solares mais eficientes.

Mas fabricar sondas Campanile tem sido parte ciência e parte arte. O mesmo se aplica a outros dispositivos nano-ópticos, como lentes microscópicas e divisores de feixe, que divide um feixe de luz em vários. Esses dispositivos requerem a fresagem de uma forma 3-D com recursos de escala abaixo de 100 nanômetros na ponta de uma fibra fina, o que é muito mais complicado do que fabricar uma nanoestrutura em uma superfície plana, como um wafer.

"Quando fizemos a sonda Campanile pela primeira vez, nós o esculpimos com um feixe de íons como Michelangelo. Demorou cerca de um mês, "diz Stefano Cabrini, Diretor da Instalação de Nanofabricação da Fundição Molecular. "Esse ritmo é bom para aplicações de pesquisa, mas a falta de um método de fabricação em massa inibiu o uso mais amplo de dispositivos nano-ópticos. "

É aí que entra a nanoimpressão de fibra. Sua primeira etapa é a mais demorada:os cientistas criam um molde com as dimensões precisas do dispositivo nano-óptico que desejam imprimir. Para a sonda Campanile, isso significa um molde dos recursos em nanoescala da sonda, incluindo os quatro lados e a lacuna emissora de luz de 70 nanômetros de largura no topo da pirâmide.

"Este molde pode levar algumas semanas para fazer, mas nós só precisamos de um, e então podemos começar a imprimir, "explica Keiko Munechika da aBeam Technologies, que fez parceria com a Molecular Foundry para desenvolver o processo de fabricação como parte do programa de Transferência de Tecnologia para Pequenas Empresas do Departamento de Energia. Vários outros cientistas da aBeam Technologies contribuíram para este trabalho, incluindo Alexander Koshelev. A empresa agora está comercializando vários dispositivos nano-ópticos baseados em fibra (consulte as informações adicionais).

Depois que o molde é criado, está fora das corridas. O molde é preenchido com uma resina especial e posicionado sobre uma fibra óptica. A luz infravermelha é enviada através da fibra, o que permite aos cientistas medir o alinhamento exato do molde em relação à fibra. Se tudo estiver certo, A luz ultravioleta é enviada através da fibra, que endurece a resina. Uma etapa final de metalização reveste as laterais da sonda com camadas de ouro. O resultado é uma sonda Campanile impressa rapidamente - não meticulosamente esculpida -.

"Podemos fazer isso repetidamente e fazer uma sondagem a cada poucos minutos, "diz Munechika.

Existem várias vantagens no ritmo de produção mais rápido. As sondas Campanile são frágeis, e agora é possível dar aos pesquisadores um lote no caso de um quebrar. Além disso, é mais fácil otimizar dispositivos nano-ópticos se os cientistas puderem fornecer feedback sobre o desempenho de um dispositivo, e um lote melhorado é rapidamente desenvolvido para testes adicionais. A técnica de fabricação também pode ser aplicada a qualquer dispositivo nano-óptico, e até agora tem sido usado para criar lentes Fresnel e divisores de feixe, além da sonda Campanile.

"Em vez de esculpir um dispositivo único como Michelangelo, agora pegamos a obra-prima original, faça uma impressão disso, e criar muitas réplicas em rápida sucessão, "diz Cabrini." É uma nova capacidade que a Molecular Foundry pode fornecer à comunidade científica. "