Natuurkundigen creëren ” s werelds kleinste viool met behulp van nanotechnologie

Natuurkundigen aan de Universiteit van Loughborough hebben geavanceerde nanotechnologie gebruikt om te creëren wat zij geloven dat ‘de kleinste viool’ s werelds is, dat klein genoeg is om te passen in de breedte van een menselijk haar.

De viool is gemaakt van platina en meet slechts 35 micron lang en 13 micron breed, waarbij een micron een miljoenste van een meter is. Voor de groottevergelijking varieert een menselijk haar meestal van 17 tot 180 micron in diameter en de geliefde microscopische wezens die bekend staan ​​als tardigrades meten tussen 50 en 1.200 micron.

De miniatuur viool is opgericht als een testproject om de mogelijkheden van het nieuwe nanolithografiesysteem van de universiteit aan te tonen – een geavanceerde pakket van technologie waarmee onderzoekers structuren op nanoschaal kunnen bouwen en studeren. Het systeem zal verschillende onderzoeksprojecten ondersteunen die gericht zijn op het identificeren van nieuwe materialen en methoden voor het ontwikkelen van de volgende generatie computerapparatuur.

“Hoewel het creëren van ’s werelds kleinste viool misschien leuk en games lijkt, heeft veel van wat we in het proces hebben geleerd eigenlijk de basis gelegd voor het onderzoek dat we nu ondernemen,” zei professor Kelly Morrison, hoofd van de fysica -afdeling en een expert in experimentele fysica.

“Ons nanolithografiesysteem stelt ons in staat om experimenten te ontwerpen die materialen op verschillende manieren onderzoeken – die licht, magnetisme of elektriciteit gebruiken – en hun antwoorden observeren. Zodra we begrijpen hoe materialen zich gedragen, kunnen we beginnen met het toepassen van die kennis om nieuwe technologieën te ontwikkelen, of het nu gaat om het verbeteren van de computerefficiëntie of het vinden van nieuwe manieren om energie te oogsten.

“Maar eerst moeten we de fundamentele wetenschap begrijpen en dit systeem stelt ons in staat om precies dat te doen.”

Waarom een ​​viool?

Het team creëerde de viool op nanoschaal als een speelse verwijzing naar de bekende popcultuurzin: “Kun je ’s werelds kleinste viool horen spelen alleen voor jou?”-meestal gebruikt om overdreven klachten of overdreven dramatische reacties te bespotten. De zin gaat vaak gepaard met een handgebaar dat iemand nabootst die een kleine viool speelt tussen hun duim en wijsvinger.

Men denkt dat de uitdrukking voor het eerst op televisie is verschenen in de jaren zeventig, populair door de show M*a*s*h, en is onderdeel gebleven van de popcultuur dankzij de optredens in recentere shows als SpongeBob Squarepantsevenals een diepe duik in zijn oorsprong door Classicfm.

De Loughborough -viool is een microscopisch beeld in plaats van een speelbaar instrument, en hoewel het niet is bevestigd door officiële kanalen als de kleinste viool ter wereld, is één ding duidelijk: het is heel klein.

Hoe is het gemaakt?

In het hart van het nanotechnologiesysteem van Loughborough University-dat een heel laboratorium overspant-is het nanofrazor, een geavanceerde nano-sculping machine van Heidelberg-instrumenten. Het maakt gebruik van thermische scanning sonde lithografie, een techniek waarbij een verwarmde, naaldachtige punt ‘zeer precieze patronen op het nanoschaal schrijft.

Om de viool te creëren, heeft professor Morrison-met steun van Dr. Naëmi Leo en onderzoekstechnicus Dr. Arthur Coveney-door een kleine chip te coaten met twee lagen van een gelachtig materiaal dat een resist wordt genoemd. Deze gecoate chip werd vervolgens onder het nanofrazor geplaatst, die de verwarmde punt gebruikte om het vioolpatroon in de oppervlaktelaag te verbranden.

Nadat het ontwerp was geëtst, werd de weerstand ontwikkeld door de blootgestelde onderlaag op te lossen om een ​​vioolvormige holte achter te laten. Een dunne laag platina werd vervolgens op de chip afgezet en een laatste spoeling in aceton verwijderde het resterende materiaal om de afgewerkte viool te onthullen.

Het systeem is volledig ingesloten met behulp van een dashboardkast en een reeks onderling verbonden kamers omdat het essentieel is om te voorkomen dat vocht en stof gevoelig onderzoek beïnvloedt. Om deze gecontroleerde omstandigheden te handhaven, werd de chip zorgvuldig tussen kamers verplaatst met behulp van kleine metalen armen van buitenaf.

Het duurt ongeveer drie uur om een ​​viool te maken met behulp van het nanolithografiesysteem, hoewel de definitieve versie van het team enkele maanden duurde omdat ze verschillende technieken verfijnden en testten.

Het afgewerkte stuk is niet groter dan een stuk stof op de chip en kan alleen in detail worden bekeken met behulp van een microscoop.

Hoe het nanolithografiesysteem nieuw onderzoek aandrijft

Twee onderzoeksprojecten van Loughborough University zijn al aan de gang met behulp van het nanolithografiesysteem. De ene onderzoekt alternatieven voor magnetische gegevensopslag en een ander onderzoekt hoe warmte kan worden gebruikt voor snellere en energie-efficiënte gegevensopslag en -verwerking.

“Ik ben echt enthousiast over het niveau van controle en mogelijkheden die we hebben met de opstelling”, zei professor Kelly Morrison. “Ik kijk er naar uit om te zien wat ik kan bereiken – maar ook wat iedereen met het systeem kan doen.”

De oprichting van “The World’s Smallest Violin” is gedocumenteerd in een nieuwe video, die hierboven kan worden bekeken. Professor Morrison heeft dat ook publiceerde een blogbericht over de oprichting van de viool.

Verdere details over de twee onderzoeksprojecten met behulp van het nanolithografiesysteem worden hieronder gegeven.

Harnas met warmte om kleinere en efficiëntere apparaten te creëren

Dr. Naëmi Leo, een fellow-fellow van de Oekri Future, gebruikt het nanolithografiesysteem om te onderzoeken hoe nauwkeurig gecontroleerde hitte de ontwikkeling van computergebruik van de volgende generatie zou kunnen ondersteunen.

Een van de grootste uitdagingen in digitale technologie is tegenwoordig het verbeteren van de efficiëntie terwijl het de grootte van de apparaat blijft verkleinen en de verwerkingssnelheid verhoogt. Een belangrijk probleem is warmtebeheer: moderne apparaten verbruiken aanzienlijke hoeveelheden elektriciteit en veel van die energie gaat verloren als warmte. Dit verspilt niet alleen het vermogen, maar kan ook de prestaties verminderen of zelfs gevoelige componenten beschadigen.

Warmte is echter niet altijd een nadeel. Onder de juiste omstandigheden-met name wanneer het ongelijk verdeeld is, zoals de ene kant van een apparaat dat heet is, terwijl de andere koel blijft-kan het aanleiding geven tot nuttige fysieke effecten die kunnen worden benut voor snellere en energie-efficiënte gegevensopslag en -verwerking.

Dr. Leo’s onderzoek richt zich op het maken en regelen van deze temperatuurgradiënten om nieuwe, efficiënte en snelle apparaten mogelijk te maken. Ze wil dit bereiken door magnetische en elektrische materialen te combineren met speciaal ontworpen nanodeeltjes die specifieke golflengten van licht absorberen en die energie omzetten in warmte.

Het nanolithografiesysteem staat centraal in dit werk, waardoor de precieze patronen en integratie van meerdere materialen en functionaliteiten op een enkel apparaat mogelijk zijn – een cruciale stap in de richting van het bouwen van de computerapparatuur van de toekomst.

Nieuwe materialen voor magnetische gegevensopslag

Dr. Fasil Dejene zal het nanolithografiesysteem gebruiken in een nieuw onderzoeksproject waarin wordt onderzocht hoe kwantummaterialen een efficiënter alternatief kunnen bieden voor de huidige magnetische gegevensopslag- en computertechnologieën.

Een alledaags voorbeeld van magnetische gegevensopslag is de traditionele magnetische harde schijfstation, die gegevens opslaat met behulp van magnetische bits-kleine, nanometer-formaat regio’s op een draaiende schijf. Een magnetische leeskop zweeft net boven het oppervlak en leest de gegevens die zijn opgeslagen door de veranderingen in de magnetische flux tussen aangrenzende magnetische stukjes te detecteren. De gevoeligheid van de leeskop bepaalt hoeveel gegevens in een bepaalde ruimte kunnen worden opgeslagen.

Naarmate we geheugenapparaten opschalen om de gegevensdichtheid te vergroten en het energieverbruik te verminderen, wordt de magnetische stabiliteit van elk bit moeilijker te behouden. Dit stimuleert de behoefte aan efficiënte sensoren en maakt het essentieel om nieuwe materialen te verkennen die in staat zijn tot betrouwbare prestaties op nanoschaal.

Het onderzoek van Dr. Dejene zal onderzoeken of opkomende kwantummaterialen het creëren van kleinere, snellere en betrouwbaardere magnetische geheugenapparaten mogelijk maken die niet alleen toepassingen hebben in technologieën voor gegevensopslag, maar ook in opkomende door hersenen geïnspireerde computertechnologieën.

Met het nanolithografiesysteem kan hij nanoschaalprototypes van magnetische detectie -elementen met hoge precisie fabriceren, waardoor grondig testen en benchmarking tegen bestaande technologieën mogelijk worden.