Tecer padrões intrincados e microscópicos de cristal ou vidro agora é possível graças aos engenheiros da Rice University.
Cientistas de materiais de arroz estão criando nanoestruturas de sílica com uma sofisticada impressora 3D, demonstrando um método para fazer dispositivos eletrônicos, mecânicos e fotônicos em microescala de baixo para cima. Os produtos podem ser dopados e suas estruturas cristalinas ajustadas para diversas aplicações.

O estudo liderado por Jun Lou, professor de ciência de materiais e nanoengenharia na George R. Brown School of Engineering, aparece em Nature Materials .

A indústria eletrônica é construída sobre silício, o substrato semicondutor básico para microprocessadores por décadas. O estudo Rice aborda as limitações da fabricação de cima para baixo, virando o processo de cabeça para baixo.

"É muito difícil fazer geometrias tridimensionais complicadas com técnicas tradicionais de fotolitografia", disse Lou. "Também não é muito 'verde' porque requer muitos produtos químicos e muitas etapas. E mesmo com todo esse esforço, algumas estruturas são impossíveis de fazer com esses métodos.

"Em princípio, podemos imprimir formas 3D arbitrárias, o que pode ser muito interessante para fazer dispositivos fotônicos exóticos", disse ele. "É isso que estamos tentando demonstrar."

O laboratório usa um processo de polimerização de dois fótons para imprimir estruturas com linhas de apenas várias centenas de nanômetros de largura, menores que o comprimento de onda da luz. Os lasers "escrevem" as linhas solicitando que a tinta absorva dois fótons, iniciando a polimerização por radicais livres do material.

“A polimerização normal envolve monômeros poliméricos e fotoiniciadores, moléculas que absorvem a luz e geram radicais livres”, disse o estudante de pós-graduação da Rice e coautor Boyu Zhang do processo que comumente usa luz ultravioleta na impressão 3D e para curar revestimentos e em aplicações odontológicas.

"Em nosso processo, os fotoiniciadores absorvem dois fótons ao mesmo tempo, o que exige muita energia", disse. "Apenas um pico muito pequeno dessa energia causa a polimerização, e isso em um espaço muito pequeno. É por isso que esse processo nos permite ir além do limite de difração da luz."

O processo de impressão exigiu que o laboratório Rice desenvolvesse uma tinta exclusiva. Zhang e o coautor Xiewen Wen, ex-aluno da Rice, criaram resinas contendo nanoesferas de dióxido de silício dopadas com polietilenoglicol para torná-las solúveis.

Após a impressão, a estrutura é solidificada por meio de sinterização a alta temperatura, que elimina todo o polímero do produto, deixando o vidro amorfo ou cristobalita policristalina. "Quando aquecido, o material passa por fases de vidro a cristal, e quanto maior a temperatura, mais ordenados os cristais se tornam", disse Lou.

O laboratório também demonstrou a dopagem do material com vários sais de terras raras para tornar os produtos fotoluminescentes, uma propriedade importante para aplicações ópticas. O próximo objetivo do laboratório é refinar o processo para alcançar uma resolução abaixo de 10 nanômetros.

Os co-autores do artigo são o professor assistente de pesquisa Rice Hua Guo, os cientistas pesquisadores Guanhui Gao e Xiang Zhang, o ex-aluno Yushun Zhao e os alunos de pós-graduação Qiyi Fang e Christine Nguyen; A ex-aluno do arroz Fan Ye da Universidade de Tsinghua, Pequim; Shuai Yue, ex-aluno da Universidade de Houston, agora pesquisador de pós-doutorado na Academia Chinesa de Ciências; e Jiming Bao, professor de engenharia elétrica e de computação da Universidade de Houston. + Explorar mais

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