Een slimme methode om nanocomponenten te scheiden

Hydrodynamische meting van vlokhoogte boven het substraat. a, Scanning elektronenmicroscopie afbeelding van goudvlokken met verschillende maten en vormen. De schaalbalk komt overeen met 5 m. bMicroscoopbeeld en traject (blauw) opgenomen gedurende 100 s van een diffunderende vlok in de vorm van een gelijkzijdige zeshoek met zijde a = 840 nm (inzet) in een kritisch water-2,6-lutidinemengsel bij ΔT = −0,5 K. cExperimentele gegevens (blauwe cirkels) en theoretische pasvorm (oranje lijn) van de gemiddelde vierkante verplaatsing (MSD) van het traject van de vlok in bdie een schatting geeft van de diffusieconstante D = 0,067 m²s⁻¹ vergeleken met D≈ 5,98 m² s⁻¹voor vrije verspreiding (zwarte lijn). De sd van de experimentele punten is veel kleiner dan de symbolen. dTheoretische diffusie D van een zeshoekige vlok met side a= 840 nm als functie van zijn hoogte hboven het oppervlak verkregen uit hydrodynamische simulaties. De experimenteel gemeten D= 0,067 m²s⁻¹komt overeen met hoogte h= 100nm. Credit: Natuurfysica(2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01795-6

Natuurkundigen van de Friedrich Schiller Universiteit Jena hebben samen met collega’s uit Düsseldorf, Göteborg, Lyngby en Triëst een ingenieuze oplossing ontwikkeld voor het scheiden van gebonden nanocomponenten.

Hun idee is om de nanocomponenten onder te dompelen in een oplosmiddel nabij het kritieke punt. In de experimentele opstelling slaagden ze erin de componenten op een beheersbare manier te scheiden door alleen de temperatuur van het oplosmiddel te veranderen. De auteurs presenteren hun succesvolle experiment in Natuurfysica.

Componenten scheiden op het kritieke punt van de oplossing

“We waren op zoek naar een oplossing om de ongewenste statische wrijving van de afzonderlijke componenten in een nano-elektromechanisch systeem (NEMS) die tegen elkaar wrijven te elimineren”, legt Dr. Falko Schmidt van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de Universiteit van Jena uit. Deze statische wrijving wordt stictie genoemd – een samenstelling van de termen statisch en wrijving – die wordt veroorzaakt door wat kwantum-elektrodynamische Casimir-krachten worden genoemd.

Deze krachten zijn het gevolg van schommelingen en zorgen er onvermijdelijk voor dat de componenten aan elkaar plakken. De onderzoekers ontwikkelden een methode om dit effect om te keren door de componenten onder te dompelen in een kritische oplossing – een mengsel van water en olie – waarin ook fluctuaties optreden. De sterkte van deze fluctuaties kan nauwkeurig worden gecontroleerd door de temperatuur te veranderen.

“Het bijzondere hierbij is dat we de oorspronkelijke fluctuaties niet onderdrukken, maar vervangen door andere, veel sterkere”, zegt Falko Schmidt. Het gewenste effect werd in het experiment bereikt met behulp van een verwarmbaar microscoopobjectief.

De onderzoekers konden een gouden nanoflake boven een gestructureerd metalen substraat houden. Normaal zou de goudvlok aan het substraat blijven plakken.

Wanneer de omringende vloeistof het kritieke punt nadert – het temperatuurbereik waarin water en olie zich scheiden – zijn de schommelingen zo sterk dat stiction wordt vermeden. De onderzoeksgroep concludeert dat dit zo effectief kan zijn dat gelijmde onderdelen kunnen worden gescheiden en weer verplaatsbaar kunnen worden gemaakt.

Een lange weg naar het oplossen van een duidelijk probleem

Dr. Falko Schmidt voerde de experimenten uit terwijl hij nog aan de Universiteit van Göteborg was, waar hij ook nieuwe experimentele methoden ontwikkelde die uiteindelijk tot succes leidden. “We kwamen snel op het idee voor dit project, omdat dit probleem duidelijk naar voren kwam uit de nanoproductie”, zegt Schmidt. De weg naar de oplossing was echter lang. Het was de benadering van het domineren van het kritische Casimir-effect met het kwantum-elektrodynamische Casimir-effect dat uiteindelijk de overhand kreeg.

Het doel is om het idee toe te passen om micro- en nano-elektromechanische systemen in de toekomst te bevrijden van blokkades door mechanische wrijving, waardoor het mogelijk wordt om nieuwe effectieve functiegerichte nanocomponenten verder te ontwikkelen.