Kaip pigiai pagaminti nanoįrenginius?

Naujasis metodas yra taikomas medžiagoms, kurios turi daugybę mažyčių skylučių – šios užtikrina unikalias optines, elektrines ir mechanines savybes. Pabandykite įsivaizduoti standžią, kempinišką medžiagą, turinčią daugybę skylučių, kurios yra per mažos, kad jas būtų galima įžiūrėti be specialaus mikroskopo.

Daugybę metų mokslininkai tyrinėjo šių medžiagų, vadinamų akytosiomis nanomedžiagomis, panaudojimą daugybėje sričių, įskaitant vaistų pernašą, cheminius ir biologinius jutiklius, saulės elementus bei baterijų elektrodus. Be kitų medžiagų egzistuoja nanoakytosios aukso, silicio, aliuminio ir titano oksido atmainos. Pagrindinė kliūtis, stabdžiusi šių medžiagų praktinį panaudojimą, buvo labai sudėtingas ir brangus apdorojimo procesas, reikalingas, kad šie dariniai būtų įkomponuoti į prietaisus.

Dabar elektros inžinerijos profesorė Šaron Vais (Sharon Weis) kartu su kolegomis sukūrė spartų ir nebrangų spausdinimo metodą, leidžiantį pagaminti įvairius šių įdomių medžiagų nanoprietaisus. „Tiesiog neįtikėtina, kaip visa tai paprasta, – pasakoja profesorė. – Pirmąjį įspaudą padarėme naudodami paprastą prie stalo paviršiaus tvirtinamą spaustuvą. Jo skyra – stebėtinai gera“.

Tradicinės priemonės, kurios naudojamos kuriant nanoakytųjų medžiagų prietaisus, yra paremtos kompiuterinių lustų gamybos metodais. Visa procedūrą reikia atlikti specialioje itin švarioje patalpoje: iš pradžių nudažyti paviršių specialia medžiaga, vadinama rezistu, tuomet palaikyti jį ultravioletinėje spinduliuotėje arba skenuoti elektronų pluoštu, kad būtų sukurta pageidaujama struktūra, ir galiausiai taikyti keliolika cheminio apdirbimo metodų paviršiaus išgraviravimui arba naujos nanomedžiagos padengimui. Kuo sudėtingesnė struktūra, tuo ilgiau trunka procedūra.

Prieš apytikriai dvejus metus Š. Vais į galvą šovė mintis, naudojant minėtąją sudėtingą procedūrą sukurti pirminius spaudus, kuriuos būtų galima pritaikyti kuriant įtaisus. Profesorė naująjį metodą pavadino tiesioginiu akytųjų padėklų spausdinimu. Šis metodas, nepriklausomai nuo įtaiso sudėtingumo, leidžia jį pagaminti mažiau nei per minutę. Kol kas tyrėjams pradinį spaudą pavyko panaudoti daugiau nei 20 kartų be jokių nusidėvėjimo požymių.

Pati mažiausia struktūra, kurią mokslininkei kartu su kolegomis pavyko padaryti, siekia vos kelias dešimtis nanometrų, o tai prilygsta vienai riebiosios rūgšties molekulei. Tyrėjams taip pat pavyko sukurti iki šiol mažiausią nanoakytojo aukso struktūrą, kurios matmenys siekia 70 nanometrų.

Pirmasis mokslininkų sukurtas įrenginys buvo „difrakcinis“ biojutiklis, kurį galim sureguliuoti taip, kad šis atpažintų įvairias skirtingas organines molekules, įskaitant DNR, baltymus ir virusus. Įrenginį sudaro gardelė, pagaminta iš akytojo silicio taip, kad tiriamoji molekulė tiesiog įtilptų joje. Iš pradžių jutiklis yra palaikomas skystyje, kuriame gali būti tiriamųjų molekulių, tuomet ištraukiamas ir nuplaunamas. Jeigu ieškomųjų molekulių yra skystyje, kai kurios jų įstringa gardelėje, o šią apšviečiant lazeriu tai akivaizdžiai pasimato.

Pasak tyrėjų, kuomet toks biojutiklis yra pagaminamas iš nanoakytojo silicio, jis yra gerokai jautresnis už pagamintąjį iš paprasto silicio. Mokslininkės tyrėjų grupė bendradarbiavo su cheminės ir biomolekulinės inžinerijos specialistais, kad naująjį metodą pritaikytų gaminant gerokai jautresnius cheminius nanojutiklius.

Tyrėjai taip pat parodė, jog jie spaudus gali panaudoti itin tikslios formos mikrodalelių gamybai. Toks procesas yra vadinamas perspausdinimu – jo metu nanoakytasis sluoksnis yra perrėžiamas ir išlaisvinamos padėklo dalelės. Viena iš galimų nanoakytojo silicio mikrodalelių taikymo sričių yra ličio jonų baterijų anodai, kurie gerokai padidintų baterijos talpą praktiškai be papildomo svorio.