كشف علماء من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) عن الآلية الفيزيائية المسؤولة عن نمو هياكل الأعمدة النانوية على طبقات البوليمر بدقة كبيرة وبأشكال متنوعة.
هذه العملية الموائعية النانوية، التي طورتها ساندرا ترويان، أستاذة الفيزياء التطبيقية وهندسة الطيران والهندسة الميكانيكية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، ونشرت في المجلة العلمية Physical Review Letters، قد تحل في المستقبل محل طرق الطباعة الحجرية المستخدمة اليوم لإعداد هياكل نانوية ومجهرية ثلاثية الأبعاد في تطبيقات الأجهزة البصرية والفوتونية والسوائل الحيوية.
يعتمد إنتاج مصفوفات نانوية كبيرة ودقيقة على طرق النسخ الضوئي الحجري القياسية، والتي تشمل المعالجة البصرية (الأشعة فوق البنفسجية) أو المعالجة الكيميائية، وذلك باستخدام مواد قوية تقوم بحفر وإذابة قطع من السيليكون (السيليكون) ومواد أخرى بالتناوب. وتُستخدم الطباعة الحجرية الضوئية اليوم، على سبيل المثال، لإنتاج دوائر متكاملة وأجهزة كهروميكانيكية دقيقة.
ومع ذلك، فإن الدورات العديدة من ذوبان المادة واستهلاكها تسبب الكثير من الخشونة في البنى النانوية، مما يحد من أدائها.
"هذه العملية هي أيضًا ثنائية الأبعاد بشكل أساسي، وبالتالي فإن إنتاج الهياكل ثلاثية الأبعاد يتطلب بناء طبقة فوق طبقة، مرارًا وتكرارًا"، يوضح الباحث.
ومن أجل تقليل التكاليف وأوقات الإنتاج والخشونة الناتجة، قام الباحثون بفحص طرق بديلة يمكن من خلالها أن تمر الطبقات المنصهرة عبر التصميم الهيكلي وعمليات التصلب في موقعها الأصلي، في خطوة واحدة.
منذ حوالي عقد من الزمن، واجهت مجموعات بحثية في ألمانيا والصين والولايات المتحدة ظاهرة غريبة أثناء استخدام أساليب تنطوي على تغيرات في درجات الحرارة. عندما تم إدخال طبقات نانوية من البوليمر المنصهر في فجوة صغيرة بين قطعتين من الفولاذ لهما درجات حرارة مختلفة، بدأت مصفوفات من الأعمدة النانوية في التشكل بشكل مستقل.
واستمرت هذه النتوءات في النمو حتى وصلت إلى الجزء العلوي من القالب؛ كان ارتفاع الأعمدة النهائية، في المتوسط، عدة مئات من النانومترات، وكانت المسافة بينها بضعة ميكرونات.
في بعض الأحيان، تم ضم هذه الأعمدة معًا لتكوين أنماط تبدو وكأنها سلاسل ثنائية الحلقة؛ وفي حالات أخرى، نمت الأعمدة على فترات منتظمة من بعضها البعض أثناء الحصول على صفائف تشبه قرص العسل. بمجرد عودة درجة حرارة النظام إلى درجة حرارة الغرفة، تتصلب الهياكل في مكانها لتشكل أشكالًا تتجمع بشكل مستقل.
في عام 2002، افترض الباحثون في ألمانيا، الذين صادفوا هذه الظاهرة، أن الأعمدة تنمو من تقلبات الضغط الدقيقة للغاية - ولكنها حقيقية تمامًا - الموجودة في السطح، والذي يبدو سلسًا وهادئًا بالنسبة لنا. واقترحوا أن الاختلافات في الضغوط السائدة على السطح ترجع إلى تغيرات طفيفة في الطريقة التي تنتشر بها الكميات الفردية من الطاقة المتقلبة، التي تسمى الفونونات، من المجمعات السطحية.
"في نموذج هذه المجموعة البحثية، يعتقد العلماء أن الاختلاف في المقاومة الصوتية بين الهواء والبوليمر هو الذي يؤدي إلى خلل في تدفق الفونون، مما يخلق ضغطًا إشعاعيًا يسبب عدم استقرار الطبقة وبالتالي يؤدي إلى "لتكوين الأعمدة" ، يلاحظ الباحث. "آليتهم هي المعادل الصوتي لتأثير كازيمير (وهو تأثير فيزيائي تنبأ به الفيزيائي الهولندي هندريك كازيمير في عام 1948 والذي يصف التجاذب بين لوحين موصلين غير مشحونين بشحنة كهربائية. هذه الظاهرة هي نتيجة التقلبات الكمومية الفراغ بين الصفائح والموجود أيضًا للتكوينات الهندسية المختلفة عن الباعثات، بين اثنين من الموصلات) أمر مألوف تمامًا للفيزيائيين الذين يتعاملون مع مستوى النانومتر.
ومع ذلك، فإن الباحث، الذي كان على دراية بتأثيرات الحرارة في نطاق النانومتر - والذي كان يعلم أن تقدم هذه الفونونات غير قابل للتصديق في الواقع في البوليمرات المنصهرة غير المتبلورة، والتي تفتقر إلى أي ترتيب دوري - أدرك على الفور أنه قد تكون هناك آلية مختلفة مخفية في هذا نظام.
لتحديد السبب العملي لتكوين الأعمدة النانوية، قام فريقها البحثي بتطوير نموذج ديناميكيات الموائع من نفس النوع من الطبقة النانوية الرقيقة المنصهرة في درجة حرارة متدرجة. ويوضح الباحث أن نموذجهم "أظهر عدم استقرار التجميع الذاتي الذي سمح باستعادة الهياكل غير العادية"، وأظهر أن الأعمدة النانوية، في الواقع، لا تنشأ نتيجة لتقلبات الضغط ولكن نتيجة لتفاعل فيزيائي بسيط. عملية تعرف باسم التدفق الشعري الحراري.
في الجريان الشعري (قانون الخاصية الشعرية، أو القوة الشعرية) تنتج قوة التجاذب، أو الالتصاق، بين الجزيئات الموجودة في نفس السائل (على سبيل المثال، الماء) توترًا سطحيًا، وهي نفس القوة المسؤولة عن ثبات قطرة من الماء. ماء. وبما أن التوتر السطحي يميل إلى تقليل مساحة سطح السائل، فإنه يعمل أحيانًا كآلية تثبيت للتشوهات الناتجة عن قوى أخرى. تؤدي الاختلافات في درجات الحرارة عبر الواجهة السائلة إلى حدوث اختلافات في التوتر السطحي. في معظم السوائل، سيكون للمناطق الباردة توتر سطحي أعلى من المناطق الأكثر دفئًا - وهذا عدم التجانس يمكن أن يتسبب في تدفق السائل من المناطق الأكثر سخونة إلى المناطق الباردة - وهي عملية تعرف باسم التدفق الشعري الحراري. في الماضي، استخدمت الباحثة بالفعل مثل هذه القوى لتطبيقات الموائع الدقيقة لنقل قطرات السائل من نقطة إلى أخرى.
وتشرح قائلة: "يمكنك رؤية هذه الظاهرة جيدًا إذا قمت بتحريك مكعب ثلج في مسار الرقم ثمانية تحت رقاقة معدنية مغلفة بسائل مثل الجلسرين". "يتدفق السائل نحو المكعب أثناء حركته في المسار. بهذه الطريقة يمكنك كتابة اسمك، وها هو لديك شكل جديد من الطباعة الحجرية الشعرية الحرارية!
وفي المقال المنشور، أوضح الباحثون كيف يمكن لهذه الظاهرة، نظريًا، التغلب على جميع القوى الأخرى العاملة في الأبعاد النانومترية، كما أظهروا أيضًا أن الظاهرة ليست مقتصرة على الطبقات البوليمرية. وأوضحوا أنه في تجارب انخفاض درجة الحرارة، تتعرض أطراف هذه الأعمدة الصغيرة في طبقة البوليمر إلى درجة حرارة أقل قليلاً من السائل المحيط بها، وذلك بسبب قربها من قطعة القالب الأكثر برودة.
"إن التوتر السطحي لطرف العمود النامي أعلى قليلاً، وهذا الاختلاف الصغير ينتج قوة قوية جدًا تعمل بالتوازي مع واجهة الهواء/البوليمر، وتوجه السائل إلى السطح الأكثر برودة. وكلما اقترب الطرف من السطح، أصبح أكثر برودة، وبالتالي زيادة عدم الاستقرار الذاتي"، يوضح الباحث.
وفي النهاية يقول الباحث "يمكن أن ينتهي النشاط باستلام هياكل أعمدة طويلة جدًا. إن الحد الوحيد لارتفاع هذه الأعمدة النانوية هو المسافة بين قطع القالب."
في نماذج الكمبيوتر، تمكن الباحثون من استخدام التغيرات التي يمكن التحكم فيها في درجات حرارة المادة الباردة لتشكيل الأشكال المكررة الناتجة بدقة في سطح النانو.
وباستخدام أحد هذه النماذج، قاموا بإنشاء نقش ثلاثي الأبعاد لرمز معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.
وقد بدأ فريق الباحثين الآن تجارب معملية يأملون من خلالها إنتاج مكونات نانوية بصرية ونانوية ضوئية في مجموعة متنوعة من التكوينات. ويضيف الباحث: "نحن مهتمون الآن بصنع أسطح ناعمة للغاية - أكثر سلاسة ممكنة - وأشكال ثلاثية الأبعاد يصعب على المقاولين اليوم استخدام طرق الطباعة الحجرية العادية".
"إن البحث الذي تم إجراؤه في معهدنا هو مثال جيد على كيف يمكن للفهم الأساسي لمبادئ الفيزياء والميكانيكا أن يؤدي إلى اكتشافات غير متوقعة ذات تطبيقات عملية وبعيدة المدى،" يقول رئيس قسم الهندسة والعلوم التطبيقية في الجامعة. معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.
