La construction moderne est une entreprise de précision. Les constructeurs doivent utiliser des composants fabriqués pour répondre à des normes spécifiques, tels que des poutres d'une composition souhaitée ou des rivets d'une taille spécifique. L'industrie du bâtiment compte sur les fabricants pour créer ces composants de manière fiable et reproductible afin de construire des ponts sécurisés et des gratte-ciel sains.

Imaginez maintenant une construction à plus petite échelle, moins d'un centième de l'épaisseur d'un morceau de papier. C'est l'échelle nanométrique. C'est l'échelle à laquelle les scientifiques travaillent pour développer des technologies potentiellement révolutionnaires dans des domaines tels que l'informatique quantique. C'est aussi une échelle où les méthodes de fabrication traditionnelles ne fonctionneront tout simplement pas. Nos outils standards, même miniaturisé, sont trop volumineux et trop corrosifs pour fabriquer de manière reproductible des composants à l'échelle nanométrique.

Des chercheurs de l'Université de Washington ont mis au point une méthode qui pourrait permettre une fabrication reproductible à l'échelle nanométrique. L'équipe a adapté une technologie basée sur la lumière largement utilisée en biologie - connue sous le nom de pièges optiques ou de pinces optiques - pour fonctionner dans un environnement liquide sans eau de solvants organiques riches en carbone, permettant ainsi de nouvelles applications potentielles.

Comme le rapporte l'équipe dans un article publié le 30 octobre dans la revue Communication Nature , les pincettes optiques agissent comme un "faisceau tracteur" à base de lumière qui peut assembler des matériaux semi-conducteurs à l'échelle nanométrique avec précision dans des structures plus grandes. Contrairement aux rayons tracteurs de la science-fiction, qui saisissent les vaisseaux spatiaux, l'équipe utilise des pincettes optiques pour piéger des matériaux qui sont près d'un milliard de fois plus courts qu'un mètre.

"Il s'agit d'une nouvelle approche de la fabrication à l'échelle nanométrique, " a déclaré le co-auteur principal Peter Pauzauskie, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW, membre du corps professoral du Molecular Engineering &Sciences Institute et de l'Institute for Nano-engineered Systems, et un scientifique principal au Pacific Northwest National Laboratory. "Il n'y a aucune surface de chambre impliquée dans le processus de fabrication, ce qui minimise la formation de déformations ou d'autres défauts. Tous les composants sont suspendus en solution, et nous pouvons contrôler la taille et la forme de la nanostructure lorsqu'elle est assemblée pièce par pièce."

"L'utilisation de cette technique dans un solvant organique nous permet de travailler avec des composants qui autrement se dégraderaient ou se corroderaient au contact de l'eau ou de l'air, " a déclaré le co-auteur principal Vincent Holmberg, professeur adjoint de génie chimique à l'UW et membre du corps professoral du Clean Energy Institute et du Molecular Engineering &Sciences Institute. "Les solvants organiques nous aident également à surchauffer le matériau avec lequel nous travaillons, nous permettant de contrôler les transformations des matériaux et de piloter la chimie."

Pour démontrer le potentiel de cette approche, les chercheurs ont utilisé les pincettes optiques pour construire une nouvelle hétérostructure de nanofils, qui est un nanofil composé de sections distinctes composées de différents matériaux. Les matériaux de départ pour l'hétérostructure des nanofils étaient des "nanorods" plus courts de germanium cristallin, chacun quelques centaines de nanomètres de long et des dizaines de nanomètres de diamètre, soit environ 5, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain. Chacun est coiffé d'un nanocristal de bismuth métallique.

Les chercheurs ont ensuite utilisé le "faisceau tracteur" à base de lumière pour saisir l'une des nanotiges de germanium. L'énergie du faisceau surchauffe également la nanotige, faire fondre la coiffe de bismuth. Ils guident ensuite une deuxième nanotige dans le « faisceau tracteur » et, grâce au capuchon de bismuth fondu à l'extrémité, les soudent bout à bout. Les chercheurs ont ensuite pu répéter le processus jusqu'à ce qu'ils aient assemblé une hétérostructure de nanofils à motifs avec des jonctions semi-conducteur-métal répétées qui étaient cinq à dix fois plus longues que les blocs de construction individuels.

"Nous avons commencé à appeler ce processus d'assemblage optiquement orienté " nanosoudure photonique " - essentiellement en soudant deux composants ensemble à l'échelle nanométrique à l'aide de la lumière, " dit Holmberg.

Les nanofils qui contiennent des jonctions entre matériaux, telles que les jonctions germanium-bismuth synthétisées par l'équipe UW, pourraient éventuellement être une voie vers la création de qubits topologiques pour des applications en informatique quantique.

Le faisceau tracteur est en fait un laser hautement focalisé qui crée une sorte de piège optique, une méthode lauréate du prix Nobel mise au point par Arthur Ashkin dans les années 1970. À ce jour, les pièges optiques ont été utilisés presque exclusivement dans des environnements à base d'eau ou de vide. Les équipes de Pauzauskie et Holmberg ont adapté le piégeage optique pour travailler dans l'environnement plus volatil des solvants organiques.

"Générer un piège optique stable dans tout type d'environnement est un délicat équilibre de forces, et nous avons eu la chance d'avoir deux étudiants diplômés très talentueux travaillant ensemble sur ce projet, " dit Holmberg.

Les photons qui composent le faisceau laser génèrent une force sur les objets à proximité immédiate du piège optique. Les chercheurs peuvent ajuster les propriétés du laser afin que la force générée puisse soit piéger, soit libérer un objet, que ce soit une simple nanotige de germanium ou un nanofil plus long.

"C'est le genre de précision nécessaire pour être fiable, méthodes de nanofabrication reproductibles, sans interactions chaotiques avec d'autres surfaces ou matériaux qui peuvent introduire des défauts ou des contraintes dans les nanomatériaux, " a déclaré Pauzauskie.

Les chercheurs pensent que leur approche de nanosoudage pourrait permettre la fabrication additive de structures à l'échelle nanométrique avec différents ensembles de matériaux pour d'autres applications.

"Nous espérons que cette démonstration permettra aux chercheurs d'utiliser le piégeage optique pour la manipulation et l'assemblage d'un ensemble plus large de matériaux à l'échelle nanométrique, que ces matériaux soient ou non compatibles avec l'eau, " dit Holmberg.