Nuevo Proceso De Nanofabricación Para Metamateriales

creación de nanoestructuras modeladas en tres dimensiones

Kevin Vora, estudiante de posgrado en física aplicada de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard, examina una muestra en el laboratorio. Vora y sus colegas de SEAS dirigidos por el profesor Eric Mazur desarrollaron un proceso de fabricación que permite la creación de nanoestructuras modeladas en tres dimensiones. Fotos de Eliza Grinnell / SEAS

El desarrollo de metamateriales continúa avanzando a medida que los físicos de Harvard han utilizado pulsos láser cortos y potentes para crear patrones tridimensionales de pequeños puntos plateados dentro de un material, que son esenciales para construir dispositivos futuristas como capas de invisibilidad.

Los investigadores en física aplicada han superado un obstáculo importante en el desarrollo de materiales avanzados, llamados metamateriales, que desvían la luz de formas inusuales.

Trabajando a una escala aplicable a la luz infrarroja, el equipo de Harvard ha utilizado pulsos láser extremadamente cortos y potentes para crear patrones tridimensionales de pequeños puntos plateados dentro de un material. Esos puntos de metal suspendidos son esenciales para construir dispositivos futuristas como capas de invisibilidad.

El nuevo proceso de fabricación, descrito en la revista Applied Physics Letters, avanza la litografía de metales a nanoescala en tres dimensiones, y lo hace con una resolución lo suficientemente alta como para ser práctica para los metamateriales.

“Si desea un metamaterial a granel para luz visible e infrarroja, debe incrustar partículas de plata u oro dentro de un dieléctrico, y debe hacerlo en 3-D, con alta resolución”, dice el autor principal Kevin Vora, un graduado estudiante de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard (SEAS).

nuevo proceso de nanofabricación para su uso en la creación de metamateriales

La mesa óptica en el laboratorio láser del profesor Eric Mazur en Harvard. Usando láseres de femtosegundos, Mazur y sus colegas han desarrollado un nuevo proceso de nanofabricación para usar en la creación de metamateriales.

“Este trabajo demuestra que podemos crear puntos plateados que están desconectados en x, y y z”, dice Vora. “No hay otra técnica que te permita hacer eso de manera factible. Ser capaz de crear patrones de nanoestructuras en 3-D es un gran paso hacia el objetivo de hacer metamateriales a granel “.

Vora trabaja en el laboratorio de Eric Mazur, profesor Balkanski de Física y Física Aplicada en SEAS. Durante décadas, Mazur ha estado usando un equipo llamado láser de femtosegundos para investigar cómo ráfagas de luz poderosas y muy enfocadas pueden cambiar las propiedades eléctricas, ópticas y físicas de un material.

Cuando un láser convencional brilla sobre un material transparente, la luz pasa directamente, con una ligera refracción. El láser de femtosegundos es especial porque emite una ráfaga de fotones tan brillante como la superficie del sol en un destello que dura solo 50 cuatrillones (5 × 10-14) de segundo. En lugar de brillar a través del material, esa energía queda atrapada dentro de él, excitando los electrones dentro del material y logrando un fenómeno conocido como absorción no lineal.

En el interior del bolsillo donde se encuentra atrapada esa energía, puede producirse una reacción química que altere permanentemente la estructura interna del material. El proceso se ha aprovechado previamente para la nanofabricación de metales en 2-D y 3-D simple.

“Normalmente, cuando las personas usan láseres de femtosegundos en la fabricación, están creando una estructura de pila de madera: algo apilado sobre otra cosa, apoyado por otra cosa”, explica Mazur.

“Sin embargo, si quieres hacer una serie de puntos plateados, no pueden flotar en el espacio”.

En el nuevo proceso, Vora, Mazur y sus colegas combinan nitrato de plata, agua y un polímero llamado PVP en una solución, que hornean en un portaobjetos de vidrio. El polímero sólido luego contiene iones de plata, que son fotorreducidos por los pulsos de láser fuertemente enfocados para formar nanocristales de metal plateado, soportados por la matriz del polímero.

La necesidad de esta combinación particular de productos químicos, en las concentraciones adecuadas, no era obvia en trabajos anteriores. A veces, los investigadores combinan nitrato de plata con agua para crear nanoestructuras de plata, pero ese proceso no proporciona ningún soporte estructural para un patrón 3-D. Otro proceso combina nitrato de plata, agua, PVP y etanol, pero las muestras se oscurecen y degradan muy rápidamente al producir cristales de plata en todo el polímero.

Con el etanol, la reacción ocurre de forma demasiado rápida e incontrolable. El equipo de Mazur necesitaba cristales a nanoescala, distribuidos con precisión y aislados en 3-D.

“Fue solo una cuestión de eliminar ese reactivo, y tuvimos suerte”, dice Vora. “Lo más sorprendente fue lo simple que es. Era cuestión de usar menos ”.

SeungYeon Kang, estudiante de posgrado en SEAS, y Shobha Shukla, ex becario postdoctoral, fueron coautores del artículo. El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.

Imágenes: Eliza Grinnell / SEAS

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