تصنيع هياكل السيليكون النانوية المثالية

نجح مهندسو البوليمرات في تطوير قالب للبنى النانوية التي تسمح بإنتاج السيليكون السائل من مادة بوليمر عضوية. يمكن أن تؤدي نتائج البحث إلى تطوير هياكل نانوية ثلاثية الأبعاد ومثالية على شكل بلورات مفردة.

[ترجمة د.نحماني موشيه]
نجح مهندسو البوليمرات في تطوير قالب للبنى النانوية التي تسمح بإنتاج السيليكون السائل من مادة بوليمر عضوية. يمكن أن تؤدي نتائج البحث إلى تطوير هياكل نانوية ثلاثية الأبعاد ومثالية على شكل بلورات مفردة.

إن استخدام القوالب لتصميم أشكال محددة قديم قدم البشرية نفسها. ففي العصر البرونزي، على سبيل المثال، تم صهر سبيكة من النحاس والقصدير ثم صبها في قوالب خزفية لصناعة الأسلحة. اليوم، تتيح طرق الحقن والبثق إمكانية تشكيل الأشكال من السوائل الساخنة إلى أي شيء يمكن تخيله تقريبًا، بدءًا من أجزاء السيارات وحتى الألعاب. لكي تعمل هذه الطرق بشكل صحيح، من الضروري أن يكون القالب نفسه مستقرًا بينما تتصلب المادة السائلة المنصهرة إلى الشكل النهائي المطلوب. في اختراق كشفه مهندسو البوليمر من جامعة كورنيل، تمكنوا من تطوير قالب لبنى نانوية قادرة على تكوين السيليكون السائل من مادة مصنوعة من بوليمر عضوي. يمكن أن تمهد النتائج الطريق لتطوير هياكل نانوية ثلاثية الأبعاد مثالية لإنتاج بلورات مفردة.

ويأتي التقدم في هذا المجال من مختبر الباحث أولي ويزنر، أستاذ الهندسة في قسم علوم وهندسة المواد في جامعة كورنيل، وهو نفس المختبر الذي قام في السابق بتطوير مواد مبتكرة مصنوعة من البوليمرات العضوية. باستخدام الكيمياء الصحيحة، تنظم البوليمرات العضوية نفسها ذاتيًا، واستخدم الباحثون هذه القدرة الفريدة للبوليمرات لتطوير نمط يتكون من فوهات نانوية ذات أشكال وأحجام دقيقة للغاية.

عادة، سيؤدي ذوبان السيليكون غير المتبلور، الذي تبلغ درجة انصهاره حوالي 2350 درجة مئوية، إلى تدمير قالب البوليمر الهش، الذي يتحلل بالفعل عند درجة حرارة 600 درجة مئوية. ومع ذلك، فقد تحايل العلماء على هذه المشكلة باستخدام أوقات ذوبان قصيرة للغاية تعتمد على استخدام الليزر. اكتشف الباحثون أن نمط البوليمر يظل مستقرًا إذا تم تسخين السيليكون باستخدام نبضات ليزر لمدة نانوثانية فقط. في مثل هذه الفترات الزمنية القصيرة، يمكن تسخين السيليكون وتحويله إلى سائل، لكن الوقت الذي يكون فيه على شكل فتيل قصير جدًا لدرجة أن البوليمر (القالب) ليس لديه الوقت الكافي للتأكسد والتحلل. في الواقع، لقد "خدعوا" قالب البوليمر بحيث يحافظ على شكله حتى عند درجة حرارة أعلى من نقطة التحلل. وبعد إزالة القالب، أظهر الباحثون أن السيليكون مصبوب بشكل مثالي في الأشكال الموجودة داخل القالب. يمكن أن يؤدي إتقان الطريقة إلى إنتاج هياكل نانوية مثالية من السيليكون في تكوين بلوري واحد. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية المرموقة Science. ووصف الباحث الرئيسي هذا الاختراق بأنه "جميل" وادعى أنه قد يكون بمثابة نظرة ثاقبة أساسية في مجال أبحاث المواد النانوية. في مجال علم المواد، يكون الهدف دائمًا هو الحصول على هياكل محددة، خاصة تلك التي يمكن دراستها دون الخوف من تداخل العيوب الهيكلية في المادة.

يتم حاليًا الحصول على معظم الهياكل النانوية ذاتية التنظيم في شكل غير متبلور أو متعدد البلورات - أي أنها تشتمل على أكثر من نوع واحد من تكوين المواد. ولهذا السبب، من الصعب جدًا تحديد ما إذا كانت خصائص هذه المواد تنشأ من البنية النانوية نفسها أو ما إذا كانت يتم التحكم فيها على الإطلاق من خلال العيوب الموجودة في المادة. أحدث اكتشاف السيليكون أحادي البلورة - وهو شبه الموصل الموجود اليوم في كل دائرة متكاملة - ثورة في مجال الإلكترونيات. ولم يتم فهم خاصية أشباه الموصلات للسيليكون بشكل صحيح إلا بعد تقطيع البلورات المفردة إلى شرائح رفيعة. اليوم، تتيح أساليب تكنولوجيا النانو إمكانية إحراز تفاصيل ودقة في رقائق السيليكون على مقياس نانومتري، يصل إلى مستوى 10 نانومتر. وفي الوقت نفسه، فإن طرق الإنتاج النانوية، على سبيل المثال الطباعة الحجرية الضوئية، التي تشكل فيها مادة بوليمرية شكل السيليكون، تواجه مخاطر عندما يتعلق الأمر بالهياكل ثلاثية الأبعاد.

لا تنتظم المواد شبه الموصلة، مثل السيليكون، ذاتيًا في هياكل مرتبة تمامًا، كما يحدث مع البوليمرات. يكاد يكون من المستحيل الحصول على بلورة مفردة ثلاثية الأبعاد من مادة شبه موصلة. من أجل الحصول على هياكل نانوية من بلورات مفردة، هناك خياران: إجراء عدد كبير من الشقوق أو التصميم داخل قالب. وقد وجدت هذه المجموعة البحثية الآن طريقة لاستخدام القالب. كانت الطريقة التي صنعوا بها القالب بمثابة إنجاز كبير في حد ذاته - فقد تعلموا سابقًا كيفية إحداث التنظيم المستقل للمواد النانوية المسامية المطلوبة خصيصًا، باستخدام جزيئات تُعرف باسم كتلة البوليمرات المشتركة. في الخطوة الأولى، استخدموا ليزر ثاني أكسيد الكربون لدمج المواد النانوية داخل رقاقة السيليكون. في الجزء العلوي من سطح هذه الشريحة، تم دمج كتلة من البوليمرات المشتركة التي توجه التجميع الذاتي لراتنج البوليمر. في الخطوة التالية، تمت إزالة كتلة البوليمرات المشتركة التي شكلت الهياكل النانوية من الركيزة مما أدى إلى إنشاء بنية نانوية مسامية تعمل كقالب. وفي الخطوة التالية، تم إدخال السيليكون السائل في هذه البنى النانوية، وبعد تبريده تحول إلى سيليكون بلوري. يوضح أحد الباحثين: "إن القدرة على تشكيل المادة الأساسية في مجال الإلكترونيات، وهي السيليكون، بأي شكل نريده، أمر غير مسبوق".

أخبار الدراسة

ملخص المقال