Inscripción con las burbujas. Fuente: Nano Letters.
Investigadores de la Escuela de Ingeniería Cockrell, de la Universidad de Texas en Austin (EE.UU.) han resuelto un problema de la micro y la nanofabricación -cómo manejar rápidamente, con cuidado y precisión pequeñas partículas- que permitirá a los investigadores construir más fácilmente máquinas diminutas, sensores biomédicos, ordenadores ópticos, paneles solares y otros dispositivos.
Han desarrollado un dispositivo y una técnica, llamada litografía por burbujas-pluma (o bolígrafo), que puede manejar de manera eficiente nanopartículas -las pequeñas piezas de oro, silicio y otros materiales utilizados en nanofabricación. El nuevo método se basa en microburbujas para inscribir, o escribir, nanopartículas sobre una superficie.
El interés de los investigadores en las nanopartículas, que tienen entre 1 y 100 nanómetros de tamaño, ha crecido rápidamente debido a su versatilidad y fuerza. Algunas nanopartículas tienen propiedades ópticas útiles para la electrónica. Otros tienen la capacidad de absorber la energía solar. En aplicaciones biomédicas, las nanopartículas pueden servir para de fármacos o para obtener imágenes.
Pero trabajar con estas partículas, manteniendo sus propiedades y funciones intactas, puede ser difícil. Y los métodos de litografía existentes, que se utilizan para grabar o estampar materiales sobre un sustrato, no son capaces de fijar nanopartículas a una ubicación específica con un control preciso y arbitrario.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor ayudante Yuebing Zheng ha inventado una manera de manejar estas pequeñas partículas y colocarlas en posición sin dañarlas. El uso de microburbujas para transportar suavemente las partículas, la técnica de litografía por burbuja-pluma puede organizar rápidamente las partículas con diferentes formas, tamaños, composiciones y distancias entre las nanoestructuras. Este control avanzado es clave para el aprovechamiento de sus propiedades.
El equipo describe su dispositivo y su técnica, ya patentadas, en un artículo publicado en la revista Nano Letters.
Funcionamiento
Usando su dispositivo de burbujas-pluma, los investigadores enfocan un láser debajo de una hoja de nanoislas de oro (islas a nanoescala) para generar un punto caliente que crea una microburbuja a partir de agua vaporizada. La burbuja atrae y capta una nanopartícula a través de una combinación de presión de gas, tensión térmica y superficial, adhesión superficial y convección. El láser entonces dirige las microburbujas para mover la nanopartícula a un lugar de la superficie. Cuando el láser se apaga, la microburbuja desaparece, dejando la partícula en la superficie. Si es necesario, los investigadores pueden ampliar o reducir el tamaño de la microburbuja aumentando o disminuyendo la potencia del rayo láser.
"La capacidad de controlar una sola nanopartícula y fijarla a un sustrato sin dañarla podría abrir grandes oportunidades para la creación de nuevos materiales y dispositivos", dice Zheng en la nota de prensa de la universidad, recogida por EurekAlert!. "La capacidad de organizar las partículas ayudará a desarrollar una clase de nuevos materiales, conocidos como metamateriales, con propiedades y funciones que no existen en los materiales naturales conocidos."
La técnica podría ser especialmente útil para la ciencia y la medicina porque los investigadores serían capaces de controlar con precisión células, material biológico, bacterias o virus para su estudio y pruebas, añade Zheng.
Han desarrollado un dispositivo y una técnica, llamada litografía por burbujas-pluma (o bolígrafo), que puede manejar de manera eficiente nanopartículas -las pequeñas piezas de oro, silicio y otros materiales utilizados en nanofabricación. El nuevo método se basa en microburbujas para inscribir, o escribir, nanopartículas sobre una superficie.
El interés de los investigadores en las nanopartículas, que tienen entre 1 y 100 nanómetros de tamaño, ha crecido rápidamente debido a su versatilidad y fuerza. Algunas nanopartículas tienen propiedades ópticas útiles para la electrónica. Otros tienen la capacidad de absorber la energía solar. En aplicaciones biomédicas, las nanopartículas pueden servir para de fármacos o para obtener imágenes.
Pero trabajar con estas partículas, manteniendo sus propiedades y funciones intactas, puede ser difícil. Y los métodos de litografía existentes, que se utilizan para grabar o estampar materiales sobre un sustrato, no son capaces de fijar nanopartículas a una ubicación específica con un control preciso y arbitrario.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor ayudante Yuebing Zheng ha inventado una manera de manejar estas pequeñas partículas y colocarlas en posición sin dañarlas. El uso de microburbujas para transportar suavemente las partículas, la técnica de litografía por burbuja-pluma puede organizar rápidamente las partículas con diferentes formas, tamaños, composiciones y distancias entre las nanoestructuras. Este control avanzado es clave para el aprovechamiento de sus propiedades.
El equipo describe su dispositivo y su técnica, ya patentadas, en un artículo publicado en la revista Nano Letters.
Funcionamiento
Usando su dispositivo de burbujas-pluma, los investigadores enfocan un láser debajo de una hoja de nanoislas de oro (islas a nanoescala) para generar un punto caliente que crea una microburbuja a partir de agua vaporizada. La burbuja atrae y capta una nanopartícula a través de una combinación de presión de gas, tensión térmica y superficial, adhesión superficial y convección. El láser entonces dirige las microburbujas para mover la nanopartícula a un lugar de la superficie. Cuando el láser se apaga, la microburbuja desaparece, dejando la partícula en la superficie. Si es necesario, los investigadores pueden ampliar o reducir el tamaño de la microburbuja aumentando o disminuyendo la potencia del rayo láser.
"La capacidad de controlar una sola nanopartícula y fijarla a un sustrato sin dañarla podría abrir grandes oportunidades para la creación de nuevos materiales y dispositivos", dice Zheng en la nota de prensa de la universidad, recogida por EurekAlert!. "La capacidad de organizar las partículas ayudará a desarrollar una clase de nuevos materiales, conocidos como metamateriales, con propiedades y funciones que no existen en los materiales naturales conocidos."
La técnica podría ser especialmente útil para la ciencia y la medicina porque los investigadores serían capaces de controlar con precisión células, material biológico, bacterias o virus para su estudio y pruebas, añade Zheng.
Diseño
Por otra parte, la litografía por burbujas-pluma puede combinarse con un software de diseño de la misma manera que una impresora 3-D, por lo que puede depositar nanopartículas en tiempo real en un patrón o diseño preprogramado. Los investigadores fueron capaces de inscribir el símbolo de la universidad y crear una cúpula con nanopartículas.
En comparación con otros métodos de litografía existentes, este tiene varias ventajas, dice Zheng. En primer lugar, puede ser utilizado para probar prototipos e ideas para dispositivos y materiales más rápidamente. En segundo lugar, tiene el potencial para la fabricación a gran escala y de bajo coste de los nanomateriales y dispositivos. Otras técnicas de litografía requieren más recursos y un entorno de sala blanca.
Zheng dice que espera avanzar más en la técnica mediante el desarrollo de una técnica de múltiples haces para la producción a nivel industrial de nanomateriales y nanodispositivos. También planea desarrollar una versión portátil de la técnica que funcione como un teléfono móvil para diagnosticar enfermedades.
Por otra parte, la litografía por burbujas-pluma puede combinarse con un software de diseño de la misma manera que una impresora 3-D, por lo que puede depositar nanopartículas en tiempo real en un patrón o diseño preprogramado. Los investigadores fueron capaces de inscribir el símbolo de la universidad y crear una cúpula con nanopartículas.
En comparación con otros métodos de litografía existentes, este tiene varias ventajas, dice Zheng. En primer lugar, puede ser utilizado para probar prototipos e ideas para dispositivos y materiales más rápidamente. En segundo lugar, tiene el potencial para la fabricación a gran escala y de bajo coste de los nanomateriales y dispositivos. Otras técnicas de litografía requieren más recursos y un entorno de sala blanca.
Zheng dice que espera avanzar más en la técnica mediante el desarrollo de una técnica de múltiples haces para la producción a nivel industrial de nanomateriales y nanodispositivos. También planea desarrollar una versión portátil de la técnica que funcione como un teléfono móvil para diagnosticar enfermedades.
Referencia bibliográfica:
Linhan Lin, Xiaolei Peng, Zhangming Mao, Wei Li, Maruthi N. Yogeesh, Bharath Bangalore Rajeeva, Evan P. Perillo, Andrew K. Dunn, Deji Akinwande, Yuebing Zheng. Bubble-Pen Lithography. Nano Letters (2016). DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04524
Linhan Lin, Xiaolei Peng, Zhangming Mao, Wei Li, Maruthi N. Yogeesh, Bharath Bangalore Rajeeva, Evan P. Perillo, Andrew K. Dunn, Deji Akinwande, Yuebing Zheng. Bubble-Pen Lithography. Nano Letters (2016). DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04524