Erstellen und Anpassen von Material im atomaren Maßstab

Anonim

Additive Fertigungstechniken mit atomarer Präzision könnten eines Tages Materialien mit Legos-Flexibilität und Terminator-Zähigkeit erzeugen, so Forscher des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums.

In einem Übersichtsartikel, der in ACS Nano veröffentlicht wurde, geben Olga Ovchinnikova und Kollegen einen Überblick über bestehende Wege zu 3D-Materialien, aber das ultimative Ziel ist es, Material auf atomarer Ebene zu erstellen und anzupassen. Das Material würde Atom für Atom zusammengebaut werden, ähnlich wie Kinder Legos verwenden können, um ein Auto oder eine Burg Stein für Stein zu bauen. Dieses Konzept, das als "directed matter" bekannt ist, könnte zu nahezu perfekten Materialien und Produkten führen, da viele Einschränkungen konventioneller Herstellungstechniken eliminiert würden.

"Die Fähigkeit, Materie Atom für Atom in 3-D zusammenzubauen, ermöglicht es uns, Materialien zu konstruieren, die stärker und leichter sind, in extremen Umgebungen robuster sind und wirtschaftliche Lösungen für Energie, Chemie und Informatik bieten", sagte Ovchinnikowa.

Grundsätzliche, gerichtete Materie eliminiert die Notwendigkeit, unerwünschtes Material durch Lithographie, Ätzen oder andere traditionelle Verfahren zu entfernen. Diese Prozesse haben der Gesellschaft gute Dienste geleistet, so die Forscher, aber die nächste Generation von Materialien und Produkten erfordert einen neuen Ansatz.

"Für die überwiegende Mehrheit der aufgezeichneten Geschichte war die materielle Transformation auf Objekte beschränkt, die mit dem bloßen Auge sichtbar und mit handgehaltenen Werkzeugen strukturiert wurden", schrieben die Forscher. "Wir können die Kraft der Reiskornschrift bewundern, oder feine Gravuren auf einer wertvollen Schwertklinge, aber nur zwei bis drei Größenordnungen trennen diese Meisterwerke von der Steinzeit-Technologie."

Mit der Fähigkeit, Materie mit atomarer Präzision zu lenken, könnten Quantencomputer, Mobiltelefone mit mehr Datenspeicher und längeren Intervallen zwischen Aufladung, Solarzellen mit höherem Wirkungsgrad und stärkerem und weniger teurem Leichtbaumaterial von Vorteil sein.

"Es ist schwer vorherzusagen, wohin das gehen könnte und wie diese Technologie unser Leben verändern könnte, aber wir wollen es herausfinden", sagte Ovchinnikowa.

Mithilfe von Berechnungen und Modellen können Forscher elektrische und andere Eigenschaften eines Materials präzise erfassen, vorhersagen, erstellen und steuern, anstatt Kompromisse eingehen zu müssen. Leitautor Stephen Jesse bemerkte, dass der Ansatz der gerichteten Materie auf jahrzehntelanger Forschung aufbaut und Instrumente verwendet, die ursprünglich zur Untersuchung von Materialien entwickelt wurden, um neue Materialien mit einer Auflösung von weniger als 10 Nanometern (10 Milliardstel Meter) herzustellen.

Zum Beispiel hat das Transmissionselektronenmikroskop, das in den 1930er Jahren entwickelt wurde, Einzelatom-Bildgebung, chemische Verzerrungsbildgebung und Pikometer-Level-Struktur-Mapping ermöglicht. Seit seiner Gründung musste jedoch die Wechselwirkung zwischen Strahl und Materie kontrolliert werden, um eine "Strahlschädigung" zu verhindern, die für fundamentale Studien eine Behinderung darstellt, so die Forscher.

"Diese Wechselwirkung, kombiniert mit der Bildgebung der Elektronen- und kürzlich der Ionenmikroskopie, kann jedoch als Grundlage für eine nächste Generation von Nanofabrikationswerkzeugen dienen", sagte Jesse.

Die Arbeit bietet Zusammenfassungen verschiedener anderer Alternativen für die atomgenaue Herstellung von 3D-Materialien auf der Basis von Elektronen- und Ionenstrahlen, einschließlich einer fokussierten Elektronenstrahl-induzierten Verarbeitung von Gasvorläufern und flüssigen Vorläufern.

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