Tecer intrincados padrões microscópicos de cristal ou vidro agora é possível graças aos engenheiros da Rice University.
Cientistas de materiais de arroz estão criando nanoestruturas de sílica com uma impressora 3D sofisticada, demonstrando um método para fazer dispositivos eletrônicos, mecânicos e fotônicos em microescala de baixo para cima. Os produtos podem ser dopados e suas estruturas cristalinas ajustadas para diversas aplicações.
O estudo liderado por Jun Lou, professor de ciência dos materiais e nanoengenharia da Escola de Engenharia George R. Brown, foi publicado na Nature Materials.
A indústria eletrônica é construída com base no silício, o substrato semicondutor básico para microprocessadores por décadas. O estudo Rice aborda as limitações da fabricação de cima para baixo, girando o processo de cabeça para baixo.
“É muito difícil fazer geometrias tridimensionais complicadas com técnicas tradicionais de fotolitografia”, disse Lou. – Também não é muito ‘verde’ porque requer muitos produtos químicos e muitas etapas. E mesmo com todo esse esforço, algumas estruturas são impossíveis de fazer com esses métodos.
“Em princípio, podemos imprimir formas 3D arbitrárias, o que pode ser muito interessante para fazer dispositivos fotônicos exóticos”, disse ele. “Isso é o que estamos tentando demonstrar.”
O laboratório usa um processo de polimerização de dois fótons para imprimir estruturas com linhas de apenas várias centenas de nanômetros de largura, menores que o comprimento de onda da luz. Lasers “escrevem” as linhas fazendo com que a tinta absorva dois fótons, iniciando a polimerização de radical livre do material.
“A polimerização normal envolve monômeros de polímero e fotoiniciadores, moléculas que absorvem luz e geram radicais livres”, disse o estudante de graduação de Rice e co-autor principal Boyu Zhang sobre o processo que comumente usa luz ultravioleta na impressão 3D e para curar revestimentos e em aplicações dentais.
“Em nosso processo, os fotoiniciadores absorvem dois fótons ao mesmo tempo, o que requer muita energia”, disse ele. “Apenas um pico muito pequeno dessa energia causa polimerização, e isso apenas em um espaço muito pequeno. É por isso que esse processo nos permite ir além do limite de difração da luz.”
O processo de impressão exigiu que o laboratório Rice desenvolvesse uma tinta exclusiva. Zhang e o co-autor Xiewen Wen, um ex-aluno do Rice, criaram resinas contendo nanoesferas de dióxido de silício dopadas com polietilenoglicol para torná-las solúveis.
Após a impressão, a estrutura é solidificada por meio de sinterização em alta temperatura, que elimina todo o polímero do produto, deixando um vidro amorfo ou cristobalita policristalina. “Quando aquecido, o material passa por fases do vidro ao cristal e, quanto mais alta a temperatura, mais ordenados os cristais se tornam”, disse Lou.
O laboratório também demonstrou a dopagem do material com vários sais de terras raras para tornar os produtos fotoluminescentes, uma propriedade importante para aplicações ópticas. O próximo objetivo do laboratório é refinar o processo para atingir uma resolução abaixo de 10 nanômetros.
Os co-autores do artigo são Hua Guo, professor assistente de pesquisa do Rice, os cientistas pesquisadores Guanhui Gao e Xiang Zhang, o ex-aluno Yushun Zhao e os alunos de pós-graduação Qiyi Fang e Christine Nguyen; Fan Ye, ex-aluno de Rice, da Universidade Tsinghua, Pequim; Shuai Yue, ex-aluno da Universidade de Houston, agora pesquisador de pós-doutorado na Academia Chinesa de Ciências; e Jiming Bao, professor de engenharia elétrica e da computação na Universidade de Houston.
Publicado em 18/10/2021 11h56
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