L'utilisation de moules pour façonner les choses est aussi vieille que l'humanité. A l'âge du bronze, l'alliage cuivre-étain était fondu et coulé en armes dans des moules en céramique. Aujourd'hui, le moulage par injection et extrusion façonne des liquides chauds dans tout, des pièces de voiture aux jouets.

Pour que cela fonctionne, le moule doit être stable pendant que le matériau liquide chaud durcit en forme. Dans une percée pour les nanosciences, Les ingénieurs en polymères de Cornell ont fabriqué un tel moule pour les nanostructures qui peuvent façonner du silicium liquide à partir d'un matériau polymère organique. Cela ouvre la voie à la perfection, 3-D, nanostructures monocristallines.

L'avance vient du laboratoire d'Uli Wiesner, le professeur d'ingénierie Spencer T. Olin au Département de science et d'ingénierie des matériaux, dont le laboratoire a précédemment dirigé la création de nouveaux matériaux à base de polymères organiques. Avec la bonne chimie, les polymères organiques s'auto-assemblent, et les chercheurs ont utilisé cette capacité spéciale des polymères pour fabriquer un moule parsemé de nano-pores de forme et de taille précises.

La recherche est publiée dans Science 3 juillet.

Normalement, faire fondre du silicium amorphe, qui a une température de fusion d'environ 2, 350 degrés, détruirait le délicat moule en polymère, qui se dégrade à environ 600 degrés. Mais les scientifiques, en collaboration avec Michael Thompson, professeur agrégé de science et ingénierie des matériaux, contourné ce problème en utilisant des périodes de fusion extrêmement courtes induites par un laser.

Les chercheurs ont découvert que le moule en polymère résiste si le silicium est chauffé par des impulsions laser de quelques nanosecondes seulement. A des échelles de temps aussi courtes, le silicium peut être chauffé à un liquide, mais la durée de fusion est si courte que le polymère n'a pas le temps de s'oxyder et de se décomposer. Ils ont essentiellement dupé le moule en polymère pour qu'il conserve sa forme à des températures supérieures à son point de décomposition.

Lorsque le moule a été gravé, les chercheurs ont montré que le silicium avait été parfaitement mis en forme par le moule. Cela pourrait conduire à rendre parfait, nanostructures de silicium monocristallin. Ils ne l'ont pas encore fait, mais leur Science papier montre que c'est possible. Dans un ouvrage publié en 2010, Wiesner et ses collègues ont montré la voie de ce processus, à l'aide d'un moule en oxyde.

Wiesner a qualifié la percée de « belle » et d'un aperçu peut-être fondamental dans l'étude des matériaux à l'échelle nanométrique. En science des matériaux, le but est toujours d'obtenir des structures bien définies qui peuvent être étudiées sans interférence de défauts matériels.

Aujourd'hui, la plupart des nanostructures auto-assemblées sont soit amorphes, soit polycristallines, constituées de plusieurs pièces d'un matériau parfaitement ordonné. Il est difficile de juger si leurs propriétés sont dues à la nanostructure elle-même ou si elles sont dominées par des défauts du matériau.

La découverte du silicium monocristallin – le semi-conducteur de chaque circuit intégré – a rendu possible la révolution de l'électronique. Il a fallu découper des monocristaux en plaquettes pour vraiment comprendre les propriétés semi-conductrices du silicium. Aujourd'hui, la nanotechnologie permet une gravure nanométrique incroyablement détaillée, jusqu'à 10 nanomètres sur une plaquette de silicium.

Mais les techniques de nanofabrication comme la photolithographie, dans lequel un matériau polymère est inscrit avec une structure gravée dans le silicium, atteint ses limites en matière de structures 3D.

Les semi-conducteurs comme le silicium ne s'auto-assemblent pas en structures parfaitement ordonnées comme le font les polymères. Il est presque inouï d'obtenir un monocristal structuré en 3D d'un semi-conducteur. Pour fabriquer des nanostructures monocristallines, il y a deux options :gravure multiple ou moulage. Le groupe de Wiesner a maintenant fait le moule.

La façon dont ils fabriquaient le moule était en elle-même une percée. Ils avaient auparavant appris à s'auto-assembler de manière hautement ordonnée, nanomatériaux poreux utilisant des molécules spécialement structurées appelées copolymères à blocs.

Ils ont d'abord utilisé un laser au dioxyde de carbone dans le laboratoire de Thompson pour "écrire" les matériaux nanoporeux sur une plaquette de silicium. Un film, spin-coated sur la plaquette, contenait un copolymère séquencé, qui a dirigé l'assemblage d'une résine polymère. Ecrire des lignes dans le film avec le laser, le copolymère séquencé décomposé, agissant comme une résistance à tonalité positive, tandis que la résine de ton négatif a été laissée pour former la nanostructure poreuse. C'est devenu le moule.

"Nous avons démontré que nous pouvons utiliser des modèles organiques avec des structures aussi compliquées qu'un gyroïde, une structure de réseau cubique périodiquement ordonnée, et « l'imprimez » sur du silicium fondu, qui se transforme alors en silicium cristallin, " a déclaré Wiesner.

"Avoir la capacité de façonner le cheval de bataille de tous les appareils électroniques, silicium, dans des formes complexes est sans précédent, " a déclaré Andy Lovinger, un directeur de programme dans la division de recherche sur les matériaux à la National Science Foundation, qui a financé la recherche de Wiesner. "Ce magnifique travail montre comment cela pourrait être fait en tirant parti des propriétés de conception uniques offertes par les matériaux polymères."

L'article s'intitule "Transient Laser Heating-Induced Hierarchical Porous Structures From Block Copolymer Diriged Self-Assembly, " et son premier auteur est Kwan Wee Tan, un ancien étudiant diplômé du Wiesner Lab.