Onderzoekers maken ’s werelds kleinste kerstrecord

Met een diameter van slechts 40 micrometer hebben onderzoekers van DTU Physics het kleinste record ooit gemaakt. Met de eerste 25 seconden van de kerstklassieker “Rocking Around the Christmas Tree”, is de single geknipt met behulp van een nieuwe nanobeeldhouwmachine – de Nanofrazor – die onlangs is overgenomen van Heidelberg Instruments.

De Nanofrazor kan 3D-patronen graveren in oppervlakken met resolutie op nanoschaal, waardoor de onderzoekers nieuwe nanostructuren kunnen creëren die de weg kunnen effenen voor nieuwe technologieën op gebieden zoals kwantumapparaten, magnetische sensoren en elektronenoptica.

“Ik doe al 30 jaar lithografie en hoewel we deze machine al een tijdje hebben, voelt het nog steeds als sciencefiction. We hebben veel experimenten gedaan, zoals het maken van een kopie van de Mona Lisa in een 12 bij 16 micrometer gebied met een pixelgrootte van tien nanometer. We hebben ook een afbeelding afgedrukt van de oprichter van DTU, Hans Christian Ørsted, in een formaat van 8 bij 12 micrometer met een pixelgrootte van 2.540.000 DPI. Om een ​​idee te krijgen van de schaal waarop we werken Met dit ding zouden we onze handtekening op een rode bloedcel kunnen schrijven’, zegt professor Peter Bøggild van DTU Physics.

“Het meest radicale is dat we 3D-landschappen in vrije vorm kunnen creëren met die gekke resolutie – deze nanolithografie in grijstinten is een echte game-wisselaar voor ons onderzoek.”

Kerstplaat op nanoschaal, in stereo

De Nanofrazor is niet zoals een printer die materiaal toevoegt aan een medium; in plaats daarvan werkt het als een CNC-machine (computer numerieke besturing) die materiaal op precieze locaties verwijdert en de gewenste vorm achterlaat. In het geval van de miniatuurafbeeldingen van Mona Lisa en HC Ørsted wordt het uiteindelijke beeld gedefinieerd door het regel voor regel verwijderen van polymeer totdat een perfect grijsschaalbeeld ontstaat. Voor Peter Bøggild, een amateurmuzikant en liefhebber van vinylplaten, lag het idee om een ​​plaat op nanoschaal te snijden voor de hand.

“We besloten dat we net zo goed konden proberen een plaat af te drukken. We hebben een fragment van ‘Rocking Around The Christmas Tree’ geknipt en geknipt zoals je een normale plaat zou knippen – hoewel we, aangezien we aan de nanoschaal, deze kan niet worden afgespeeld op de gemiddelde draaitafel. De Nanofrazor werd aan het werk gezet als een draaibank voor het snijden van platen, waarbij een audiosignaal wordt omgezet in een spiraalvormige groef op het oppervlak van het medium. In dit geval is het medium een ​​ander polymeer dan vinyl.

“We hebben zelfs de muziek in stereo gecodeerd – de laterale kronkels is het linkerkanaal, terwijl de dieptemodulatie het rechterkanaal bevat. Het kan te onpraktisch en te duur zijn om een ​​hitrecord te worden. Om de groove te lezen, heb je een vrij dure atomaire force microscope of de Nanofrazor, maar het is zeker te doen.”

Snelle, goedkope nanostructuren

De subsidie ​​van de NOVO Foundation BIOMAG, die de Nanofrazor-droom mogelijk heeft gemaakt, gaat niet over het knippen van kerstplaten of het afdrukken van afbeeldingen van beroemde mensen. Peter Bøggild en zijn collega’s, Tim Booth en Nolan Lassaline, hebben andere plannen. Ze verwachten dat de Nanofrazor hen in staat zal stellen om 3D-nanostructuren met extreem nauwkeurige details te modelleren en dit met hoge snelheid en lage kosten te doen – iets wat onmogelijk is met bestaande tools.

“We werken met 2D-materialen en wanneer deze ultradunne materialen zorgvuldig op de 3D-landschappen worden gelegd, volgen ze de contouren van het oppervlak. Kortom, ze buigen, en dat is een krachtige en geheel nieuwe manier om materialen te ‘programmeren’ om dingen doen waarvan niemand vijftien jaar geleden voor mogelijk hield. Als grafeen bijvoorbeeld op de juiste manier gekromd is, gedraagt ​​het zich alsof er een gigantisch magnetisch veld is, terwijl dat er in feite niet is. En we kunnen het gewoon krommen op de juiste manier met de Nanofrazor”, zegt Peter Bøggild.

Universitair hoofddocent Tim Booth voegt hieraan toe: “Het feit dat we de oppervlakken nu nauwkeurig kunnen vormgeven met precisie op nanoschaal met vrijwel de snelheid van onze verbeelding, is een doorbraak voor ons. We hebben veel ideeën voor wat we vervolgens moeten doen en geloven dat deze machine aanzienlijk zal het prototypen van nieuwe structuren versnellen.Ons belangrijkste doel is om binnen het BIOMAG-project nieuwe magnetische sensoren te ontwikkelen voor het detecteren van stromingen in de levende hersenen.Toch kijken we er ook naar uit om nauwkeurig gebeeldhouwde potentiële landschappen te creëren waarmee we elektronengolven beter kunnen beheersen. Er is veel werk aan de winkel.”

Postdoc Nolan Lassaline (die het kerstrecord verbrak) is van plan om “kwantumzeepbellen” in grafeen te maken. Hij zal de Nanofrazor gebruiken om nieuwe manieren te verkennen om nanomaterialen te structureren en om nieuwe manieren te ontwikkelen om elektronen in atomair dunne materialen te manipuleren.

“Kwantumzeepbellen zijn gladde elektronische potentialen waaraan we kunstmatig op maat gemaakte stoornissen toevoegen. Door dit te doen, kunnen we manipuleren hoe elektronen in grafeen stromen. We hopen te begrijpen hoe elektronen bewegen in gemanipuleerde ongeordende potentialen en onderzoeken of dit een nieuw platform zou kunnen worden voor geavanceerde neurale netwerken en kwantuminformatieverwerking’, zegt Lassaline.

Het Nanofrazor-systeem maakt nu deel uit van de unieke fabricagefaciliteit van DTU Physics NANOMADE voor luchtgevoelige 2D-materialen en -apparaten en maakt deel uit van E-MAT, een groter ecosysteem voor luchtgevoelige verwerking en fabricage van nanomaterialen onder leiding van prof. Nini Pryds, DTU Energy.