La fabrication de matériaux nanostructurés tridimensionnels - ceux qui ont des formes et des structures distinctives à des échelles de quelques milliardièmes de mètre - est devenu un domaine de recherche fertile, produire des matériaux utiles pour l'électronique, photonique, phononique et dispositifs biomédicaux. Mais les méthodes de fabrication de tels matériaux ont été limitées dans la complexité 3-D qu'ils peuvent produire. Maintenant, une équipe du MIT a trouvé un moyen de produire des structures plus complexes en utilisant un mélange d'approches « top-down » et « bottom-up » actuelles.

Le travail est décrit dans un article publié en juin dans la revue Lettres nano , co-écrit par le postdoctorant Chih-Hao Chang; Georges Barbastathis, le professeur de recherche de Singapour en optique et professeur de génie mécanique; et six étudiants diplômés du MIT.

Une approche pour fabriquer des nanostructures tridimensionnelles - une approche descendante - est appelée lithographie par déphasage, dans lequel un masque bidimensionnel façonne l'intensité de la lumière qui brille sur une couche de matériau photorésistant (de la même manière qu'un négatif photographique contrôle la quantité de lumière atteignant différentes zones d'une impression). La résine photosensible n'est altérée que dans les zones atteintes par la lumière. Cependant, cette approche nécessite des masques de phase fabriqués très précisément, qui sont coûteux et longs à réaliser.

Une autre méthode - une approche ascendante - consiste à utiliser des nanoparticules colloïdales auto-assemblantes qui se forment elles-mêmes en certains arrangements compacts énergétiquement favorables. Ceux-ci peuvent ensuite être utilisés comme masque pour les méthodes de dépôt physique, comme le dépôt en phase vapeur, ou gravure de la surface, produire des structures 2D, tout comme un pochoir peut être utilisé pour contrôler où la peinture atteint une surface. Mais ces méthodes sont lentes et limitées par des défauts qui peuvent se former dans le processus d'auto-assemblage, ainsi, bien qu'ils puissent être utilisés pour la fabrication de structures 3D, ceci est rendu difficile car tous les défauts se propagent à travers les couches.

"On fait un peu des deux, ", dit Chang. "Nous avons pris la méthode d'un chimiste et avons ajouté une touche d'ingénierie."

La nouvelle méthode est un hybride dans lequel le réseau auto-assemblé est produit directement sur un matériau de substrat, remplir la fonction d'un masque pour le processus de lithographie. Les nanoparticules individuelles qui s'assemblent à la surface agissent chacune comme de minuscules lentilles, focaliser le faisceau dans un modèle d'intensité déterminé par leur disposition sur la surface. La méthode, les auteurs disent dans leur article, "peut être mis en œuvre comme une nouvelle technique pour fabriquer des nanostructures 3-D complexes dans tous les domaines de la recherche à l'échelle nanométrique."

Selon les formes et les dispositions des minuscules billes de verre qu'ils utilisent pour la partie auto-assemblage du processus, il est possible de créer une grande variété de structures, "des trous aux poteaux plus denses, anneaux, structures fleuries, utilisant exactement le même système, " dit Chang. " C'est un moyen très simple de faire des nanostructures 3D, et probablement le moyen le moins cher en ce moment. Vous pouvez l'utiliser pour beaucoup de choses."

Membres de l'équipe, dont la spécialité est l'optique, disent que les premières structures qu'ils prévoient de faire sont des cristaux photoniques, dont la structure peut manipuler le comportement des faisceaux lumineux qui les traversent. Mais la méthode peut également être utilisée pour fabriquer des matériaux phononiques, qui contrôlent les ondes de chaleur ou de son, ou encore pour réaliser des filtres à porosité contrôlée avec précision, qui pourraient avoir des applications biomédicales.

John Rogers SM '92, Doctorat '95, un professeur de science et d'ingénierie des matériaux et professeur de chimie à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign qui n'était pas impliqué dans ce travail, dit que ces chercheurs du MIT ont trouvé « un moyen remarquablement simple de faire une chose très difficile dans la nanofabrication, c'est à dire., créer à grande échelle, nanostructures tridimensionnelles aux formes utiles."

Rogers dit, « La simplicité expérimentale, et l'accès résultant à des structures qui seraient difficiles ou impossibles à réaliser par d'autres moyens, suggèrent que l'approche sera utile pour de nombreux domaines d'application, allant des cristaux photoniques aux membranes filtrantes techniques et autres."