Transition entre des réseaux de nanopiliers 3-D et des structures rayées dans un nanofilm de polystyrène soumis à un gradient thermique de 100, 000 degrés Celsius/cm. [Crédit :avec l'aimable autorisation de E. McLeod et S. M. Troian, {LIS2T} labo/Caltech]
(PhysOrg.com) -- Des scientifiques du California Institute of Technology ont mené des expériences pour confirmer lequel des trois mécanismes possibles est responsable de la formation spontanée de réseaux de piliers tridimensionnels (3-D) dans les nanofilms (films polymères qui sont des milliardièmes d'un mètre d'épaisseur). Ces protubérances apparaissent soudainement lorsque la surface d'un nanofilm en fusion est exposée à un gradient de température extrême et s'auto-organisent en hexagone, lamellaire, carré, ou des motifs en spirale.
Ce moyen non conventionnel de modeler les films est développé par Sandra Troian, professeur de physique appliquée, aéronautiques, et génie mécanique à Caltech, qui utilise la modulation des forces de surface pour façonner et mouler des nanofilms liquéfiables en formes 3D. « Mon objectif ultime est de développer une suite de techniques lithographiques 3D basées sur des modulation numérique de la thermique, électrique, et les forces magnétiques de surface, " dit Troian. La confirmation du mécanisme correct lui a permis de déduire la résolution maximale ou la taille minimale des caractéristiques finalement possible avec ces techniques de structuration.
Dans la méthode de Troian, des formes arbitraires sont d'abord sculptées à partir d'un film fondu par des forces de surface, puis instantanément solidifiées in situ en refroidissant l'échantillon. "Ces techniques sont parfaitement adaptées à la fabrication de composants optiques ou photoniques présentant des interfaces ultra-lisses, " explique-t-elle. Le processus introduit également une nouvelle physique intéressante qui ne devient évidente qu'à l'échelle nanométrique. " Même au pays des Lilliputiens, ces forces sont au mieux chétives, mais à l'échelle nanométrique ou plus petite encore, ils gouvernent le monde, " elle dit.
Les expériences menant à cette découverte ont été mises en évidence sur la couverture du numéro du 29 avril de la revue Lettres d'examen physique .
Les expérimentations, conçu pour isoler la physique derrière le processus, sont au mieux difficiles. La configuration nécessite deux lisses, substrats plats, qui ne sont séparés que de quelques centaines de nanomètres, de rester parfaitement parallèles sur des distances d'un centimètre ou plus.
Micrographie électronique à balayage de protubérances solidifiées dans un film de polystyrène de 98 nm guidé par un réseau hexagonal distant de broches froides. [Crédit :avec l'aimable autorisation de E. McLeod et S. M. Troian, {LIS2T} labo/Caltech.]
Un tel montage expérimental présente plusieurs difficultés, y compris que "aucun substrat de cette taille n'est vraiment plat, " Troian dit, "Et même le plus petit thermocouple du monde est trop gros pour tenir dans l'espace." En outre, elle dit, "le gradient thermique dans l'écart peut dépasser des valeurs d'un million de degrés par centimètre, donc l'installation subit une expansion importante, Distorsion, et contraction au cours d'une course typique."
En réalité, toutes les études précédentes ont été confrontées à des défis similaires, conduisant à des estimations inexactes du gradient thermique et à l'incapacité de visualiser la formation et la croissance des structures, entre autres problèmes. "Pour compliquer les choses, " Troian dit, « toutes les données précédentes de la littérature ont été obtenues à des stades de croissance très tardifs, bien au-delà du régime de validité des modèles théoriques, " dit Troian.
Les expériences Caltech ont résolu ces défis en revenant à des mesures in situ. Les chercheurs ont remplacé le substrat froid supérieur par une fenêtre transparente façonnée à partir d'un saphir monocristallin, ce qui leur a permis de voir directement les formations en développement. Ils ont également utilisé l'interférométrie en lumière blanche pour aider à maintenir le parallélisme pendant chaque essai et pour enregistrer la forme émergente et le taux de croissance des structures émergentes. Des simulations par éléments finis ont également été utilisées pour obtenir des estimations beaucoup plus précises du gradient thermique dans le minuscule espace.
"Quand tout est dit et fait, nos résultats indiquent que ce processus de formation n'est pas entraîné par l'attraction électrostatique entre la surface du film et le substrat à proximité, comme ce qui se passe lorsque vous passez un peigne dans vos cheveux, ni par les fluctuations de pression à l'intérieur du film dues aux réflexions des phonons acoustiques, les excitations collectives. de molécules - comme on le croyait autrefois, Troian explique. "Les données ne correspondent tout simplement pas à ces modèles, peu importe à quel point vous essayez, " dit-elle. Les données ne semblaient pas non plus correspondre à un troisième modèle basé sur la structuration du film par flux thermocapillaire, le flux des régions les plus chaudes vers les plus froides qui accompagne les variations de température de surface.
(À gauche) Protubérances 3-D émergentes sous une mesa cylindrique transparente froide (diamètre 400 m) dans un film de polystyrène de 160 nm soumis à un gradient thermique de 240, 000 degrés Celsius/cm. (À droite) Des formations après que certaines aient contacté la mesa froide. [Crédit :avec l'aimable autorisation de E. McLeod et S. M. Troian, {LIS2T} labo/Caltech]
Troian a proposé le modèle thermocapillaire il y a plusieurs années. Les calculs de cette "instabilité de recherche de froid" suggèrent que les nanofilms sont toujours instables en réponse à la formation de réseaux de piliers 3D, quelle que soit la taille du gradient thermique. De minuscules saillies dans le film subissent une température légèrement plus froide que le liquide environnant en raison de leur proximité avec une cible froide. La tension superficielle de ces pointes est supérieure à celle du film environnant. Ce déséquilibre génère une force de surface très forte qui "attire" le fluide vers le haut et "dans la troisième dimension, " dit-elle. Ce processus donne facilement naissance à de grands réseaux de fossettes, crêtes, piliers, et d'autres formes. Une version non linéaire du modèle suggère comment les broches froides peuvent également être utilisées pour former des réseaux plus réguliers.
Troian a d'abord été déçu que les mesures ne correspondent pas aux prédictions théoriques. Par exemple, la prédiction de l'espacement entre les saillies était erronée d'un facteur de deux ou plus. "Il m'est venu à l'esprit que certaines propriétés du nanofilm à entrer dans le modèle pourraient être très différentes de celles de la littérature obtenues à partir d'échantillons macroscopiques, " note-t-elle.
Elle a fait appel aux conseils de l'ingénieur mécanicien Ken Goodson à Stanford, un expert du transport thermique dans les nanofilms, qui a confirmé qu'il avait également remarqué une amélioration significative de la capacité de transfert de chaleur de certains nanofilms. Une enquête plus approfondie a révélé que d'autres groupes dans le monde ont commencé à signaler une amélioration similaire des caractéristiques optiques et autres des nanofilms. "Et voila ! … en ajustant un paramètre clé, " Troian dit, « nous avons obtenu un accord parfait entre l'expérience et la théorie. Comme c'est cool ! »
Non satisfait de ces constatations, Troian souhaite lancer une étude distincte pour trouver la source de ces propriétés améliorées dans les nanofilms. "Maintenant que notre horizon est dégagé, Je vous garantis que nous ne resterons pas immobiles tant que nous ne serons pas en mesure de fabriquer des composants inhabituels dont la forme et la réponse optique ne peuvent être formées que par un tel processus."
