La construcción moderna es un esfuerzo de precisión. Los constructores deben usar componentes fabricados para cumplir con estándares específicos, como vigas de una composición deseada o remaches de un tamaño específico. La industria de la construcción depende de los fabricantes para crear estos componentes de manera confiable y reproducible para construir puentes seguros y rascacielos de sonido.

Ahora imagine la construcción a una escala menor: menos de 1/100 del grosor de un trozo de papel. Esta es la nanoescala. Es la escala a la que los científicos están trabajando para desarrollar tecnologías potencialmente innovadoras en campos como la computación cuántica. También es una escala donde los métodos tradicionales de fabricación simplemente no funcionarán. Nuestras herramientas estándar, incluso miniaturizadas, son demasiado voluminosas y corrosivas para fabricar componentes de forma reproducible a nanoescala.

Investigadores de la Universidad de Washington han desarrollado un método que podría hacer posible la fabricación reproducible a nanoescala. El equipo adaptó una tecnología basada en la luz empleada ampliamente en biología, conocida como trampas ópticas o pinzas ópticas, para operar en un ambiente líquido libre de agua de solventes orgánicos ricos en carbono, lo que permite nuevas aplicaciones potenciales.

Como informa el equipo en un artículo publicado el 30 de octubre en la revista Comunicaciones de la naturaleza, las pinzas ópticas actúan como un "haz de tractor" basado en luz que puede ensamblar materiales semiconductores a nanoescala con precisión en estructuras más grandes. A diferencia de los rayos tractores de ciencia ficción, que agarran naves espaciales, el equipo emplea unas pinzas ópticas para atrapar materiales que son casi mil millones de veces más cortos que un metro.

"Este es un nuevo enfoque para la fabricación a nanoescala", dijo el coautor principal Peter Pauzauskie, profesor asociado de ciencia de los materiales e ingeniería de la UW, miembro de la facultad en el Instituto de Ingeniería y Ciencias Moleculares y el Instituto de Sistemas de Nanoingeniería, y un senior Científico del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. "No hay superficies de cámara involucradas en el proceso de fabricación, lo que minimiza la formación de deformación u otros defectos. Todos los componentes están suspendidos en solución, y podemos controlar el tamaño y la forma de la nanoestructura a medida que se ensambla pieza por pieza". "

"El uso de esta técnica en un solvente orgánico nos permite trabajar con componentes que de otra manera se degradarían o corroerían en contacto con el agua o el aire", dijo el coautor principal Vincent Holmberg, profesor asistente de ingeniería química y miembro de la facultad en la Energía Limpia de la Universidad de Washington. Instituto y el Instituto de Ingeniería Molecular y Ciencias. "Los disolventes orgánicos también nos ayudan a sobrecalentar el material con el que estamos trabajando, lo que nos permite controlar las transformaciones del material e impulsar la química".

Para demostrar el potencial de este enfoque, los investigadores utilizaron las pinzas ópticas para construir una nueva heteroestructura de nanocables, que es un nanocable que consta de secciones distintas compuestas de diferentes materiales. Los materiales de partida para la heteroestructura de nanocables eran "nanorods" más cortos de germanio cristalino, cada uno de unos pocos cientos de nanómetros de largo y decenas de nanómetros de diámetro, o unas 5.000 veces más delgadas que un cabello humano. Cada uno está cubierto con un nanocristal metálico de bismuto.

Luego, los investigadores utilizaron el "rayo tractor" basado en la luz para agarrar uno de los nanorods de germanio. La energía del rayo también sobrecalienta el nanorod, derritiendo la capa de bismuto. Luego guían un segundo nanorod en el "haz del tractor" y, gracias a la tapa de bismuto fundido en el extremo, los sueldan de punta a punta. Luego, los investigadores pudieron repetir el proceso hasta que hubieran ensamblado una heteroestructura de nanocables estampada con uniones repetidas de semiconductores de metal que era de cinco a diez veces más larga que los bloques de construcción individuales.

"Hemos llamado a este proceso de ensamblaje ópticamente orientado 'nano-soldadura fotónica' – esencialmente soldar dos componentes juntos en la nanoescala usando luz", dijo Holmberg.

Los nanocables que contienen uniones entre materiales, como las uniones de germanio y bismuto sintetizadas por el equipo de la Universidad de Washington, pueden ser una ruta para crear qubits topológicos para aplicaciones en computación cuántica.

El rayo tractor es en realidad un láser altamente enfocado que crea un tipo de trampa óptica, un método ganador del Premio Nobel promovido por Arthur Ashkin en la década de 1970. Hasta la fecha, las trampas ópticas se han utilizado casi exclusivamente en entornos a base de agua o vacío. Los equipos de Pauzauskie y Holmberg adaptaron el atrapamiento óptico para trabajar en el entorno más volátil de los solventes orgánicos.

"Generar una trampa óptica estable en cualquier tipo de ambiente es un delicado acto de equilibrio de fuerzas, y tuvimos la suerte de tener dos estudiantes graduados muy talentosos trabajando juntos en este proyecto", dijo Holmberg.

Los fotones que forman el rayo láser generan una fuerza sobre los objetos en las inmediaciones de la trampa óptica. Los investigadores pueden ajustar las propiedades del láser para que la fuerza generada pueda atrapar o liberar un objeto, ya sea un solo nanorod de germanio o un nanocable más largo.

"Este es el tipo de precisión necesaria para métodos de nanofabricación confiables y reproducibles, sin interacciones caóticas con otras superficies o materiales que puedan introducir defectos o deformar los nanomateriales", dijo Pauzauskie.

Los investigadores creen que su enfoque de nano-soldadura podría permitir la fabricación aditiva de estructuras de nanoescala con diferentes conjuntos de materiales para otras aplicaciones.

"Esperamos que esta demostración dé como resultado que los investigadores utilicen trampas ópticas para la manipulación y el ensamblaje de un conjunto más amplio de materiales a nanoescala, independientemente de si esos materiales son o no compatibles con el agua", dijo Holmberg.

Los coautores principales del artículo son Elena Pandres, estudiante de posgrado en ingeniería química de la UW, y Matthew Crane, graduado de doctorado de la UW e investigador postdoctoral actual en el Departamento de Química de la UW. El coautor es E. James Davis, profesor emérito de ingeniería química de la UW. La investigación fue financiada por la National Science Foundation, el UW Molecular Engineering Materials Center, el UW Molecular Engineering & Sciences Institute, el UW Institute for Nano-engineering Systems, el UW Clean Energy Institute, el Estado de Washington, la Washington Research Foundation y Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.

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