Os avanços na nanotecnologia exigem o desenvolvimento de métodos de nanofabricação para uma variedade de materiais, elementos e parâmetros disponíveis. Os métodos existentes não possuem características específicas e os métodos gerais de nanofabricação versátil permanecem indefinidos. Em um novo relatório agora publicado em Science Advances , Naijia Liu, Guannan Liu e uma equipe de cientistas em engenharia mecânica e ciência de materiais da Universidade de Yale e da Universidade de Connecticut, nos EUA, descreveram os mecanismos subjacentes da nanomoldagem termomecânica para revelar uma abordagem de nanofabricação altamente versátil. Com base nos resultados, eles puderam regular, combinar e prever a capacidade de desenvolver materiais gerais com combinações de materiais e escalas de comprimento. As origens mecanicistas da nanomoldagem termomecânica e sua transição dependente da temperatura forneceram um processo para combinar muitos materiais em nanoestruturas e fornecer qualquer material em formas moldáveis ​​em nanoescala.
Nanomoldagem termomecânica (TMNM)

Os pesquisadores devem avançar nos métodos de nanofabricação para desenvolver nanodispositivos em resposta às demandas cada vez maiores de aplicações em nanoescala. Portanto, é ideal para facilitar um método de fabricação que possa desenvolver uma variedade de materiais com diversas características, incluindo formas, comprimentos e uma nanoarquitetura elementar regulamentada. As demandas podem abranger diversos campos, desde óptica, eletrônica, ciências da vida e coleta de energia até materiais quânticos. Embora os pesquisadores já tenham desenvolvido muitos métodos para realizar tais aplicações, a maioria dos métodos de nanofabricação são relativamente limitados. A fim de produzir um método de nanofabricação versátil que forneça um processo para regular o tamanho, a forma, a química e a distribuição elementar dentro do nanofio, os pesquisadores devem obter informações mais profundas sobre os mecanismos subjacentes de fabricação, regulação de comprimento, composição de elementos e seu transporte. A nanomoldagem termomecânica (TMNM) é um avanço recente realizado em metais, que pode ser explorado para nanofabricação. Neste trabalho, Liu et al. identificaram os mecanismos subjacentes dependentes de tamanho e temperatura do TMNM para oferecer uma variedade de materiais e combinações de materiais, bem como distribuições elementares em uma variedade de materiais.

Compreendendo os mecanismos subjacentes do TMNM (nanomoldagem termomecânica)

Para desenvolver nanoestruturas, Liu et al. conduziu a matéria-prima (cru) sob uma pressão aplicada e temperatura elevada em um molde rígido nanopadronizado. Eles estimaram a difusão em massa, a difusão na interface e o deslizamento de discordâncias para regular esse processo como mecanismos subjacentes. Para identificar os mecanismos fundamentais do TMNM, os cientistas analisaram o comprimento de moldagem versus as condições de moldagem. O dimensionamento para difusão em massa e interface é baseado na Lei de Fick. Eles usaram experimentos de escala para determinar os mecanismos de TMNM para um determinado conjunto de parâmetros de processamento para revelar TMNM dominado por difusão em altas temperaturas homólogas. Comparativamente, em baixas temperaturas homólogas, o mecanismo de deslizamento de discordâncias dominou o TMNM. Os resultados experimentais mostraram que tanto o mecanismo de difusão quanto o de deslocamento podem ser melhor descritos através de uma superposição de ambos os mecanismos. As transições nos mecanismos que controlam o TMNM não ocorreram apenas com a temperatura, mas também com o tamanho do molde. Usando o método, a equipe desenvolveu nanofios ultrafinos de até 5 nm de diâmetro por difusão. No entanto, foi um desafio desenvolver moldes com diâmetros menores. Para formar fios de menor diâmetro, eles usaram um TMNM de deslocamento dominado por deslizamento. Desta forma, os pesquisadores poderiam usar um processo de moldagem de uma etapa para desenvolver micro e nano-características com base em mecanismos de deslocamento dominado por deslizamento e um mecanismo de difusão de interface, respectivamente. O método também permite versatilidade em uma variedade de materiais, incluindo metais puros, elementos não metálicos, óxidos e cerâmicas.

Desenvolvimento de heteroestruturas

As condições experimentais também permitiram à equipe regular as distribuições elementares e formar uma gama de nanofios de heteroestrutura, com interesse particular para muitas aplicações, incluindo nanodispositivos com princípios operacionais baseados em interfaces funcionais, fotodetectores, transistores de efeito de campo e diodos emissores de luz. Para mostrar o desenvolvimento de nanofios de heteroestrutura usando TMNM, a equipe incorporou camadas de cobre (Cu) e prata (Ag) e considerou diferentes ordens dessas camadas na matéria-prima. Eles mostraram como o TMNM dominado pela difusão formou nanofios de estruturas de cristal único, enquanto os nanofios formados por deslizamento de deslocamento eram policristalinos ou mantinham uma estrutura de grão de 'bambu'. Liu et ai. estudaram ainda as heteroestruturas Cu-Ag e a interface Ag/Cu usando microscopia eletrônica de transmissão. Os resultados mostraram uma interface nítida e limpa entre prata e cobre.

Perspectivas

Desta forma, Naijia Liu e colegas mostraram a possibilidade de regular a distribuição elementar no nanofio, projetando o processamento e as propriedades do material usando o processo TMNM (nanomoldagem termomecânica) para obter nanoestruturas versáteis. Um aspecto do experimento incluiu a matéria-prima, que poderia ser ligada ou transformada em estruturas em camadas. A equipe considerou a difusividade relativa dos elementos para definir sua presença na matéria-prima. Utilizando a técnica, Liu et al. poderia desenvolver um nanofio de liga homogênea. Eles destacaram como os mecanismos subjacentes do TMNM foram baseados em transições dependentes de temperatura e tamanho. Por exemplo, com alta temperatura e pequenas variações de tamanho, o método dependia da difusão na interface do material e do molde. Em tamanho maior e baixa temperatura, o mecanismo de deslizamento de deslocamento dominou o resultado. A técnica descrita de nanomoldagem termomecânica é uma poderosa mudança de paradigma para implementar nanoaplicações com características desejadas em nanoescala. + Explorar mais

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