מדענים מהמכון הטכנולוגי בקליפורניה (Caltech) חשפו את המנגנון הפיסיקלי שאחראי לגידול מבנים של ננו-עמודים על שכבות פולימר בדיוק רב ובצורות מגוונות.
תהליך ננו-נוזלי זה, שפותח ע”י Sandra Troian, פרופסור לפיסיקה יישומית, אירונאוטיקה והנדסה מכאנית בקלטק, ואשר פורסם בכתב-העת המדעי Physical Review Letters, עשוי להחליף בעתיד את שיטות הליתוגרפיה המשמשות היום להכנת ננו- ומיקרו-מבנים תלת-מימדיים ביישומים של התקנים אופטיים, פוטוניים וביו-נוזליים.
הייצור של ננו-מערכים גדולים ומדויקים נשען על שיטות שכפול פוטו-ליתוגרפיות רגילות, שכוללות טיפול אופטי (קרינה על-סגולה) או כימי, באמצעות חומרים חזקים החורטים וממסים, לחילופין, פיסות צורן (סיליקון) וחומרים אחרים. פוטו-ליתוגרפיה משמשת היום, לדוגמא, לייצור מעגלים משולבים והתקנים מיקרו-אלקטרומכאניים.
אולם, המחזורים הרבים של המסה ואיכול החומר גורמים לחספוס רב בננו-מבנים, תוצאה המגבילה את ביצועיהם.
“תהליך זה הוא גם דו-מימדי מיסודו, ועל-כן ייצור של מבנים תלת-מימדיים מחייב בנייה של שכבה על-גבי שכבה, שוב ושוב,” מסבירה החוקרת.
במטרה להפחית עלויות, זמני ייצור ואת החספוס הנוצר, חוקרים בחנו שיטות חלופיות שבאמצעותן שכבות מותכות תוכלנה לעבור תהליכי עיצוב מבני ומיצוק במיקומן המקורי, בשלב אחד.
לפני כעשור, קבוצות מחקר בגרמניה, סין וארה”ב נתקלו בתופעה מוזרה בזמן השימוש שלהן בשיטות הכוללות שינויי טמפרטורה. כאשר ננו-שכבות פולימריות מותכות הוחדרו לתוככי רווח זעיר בין שתי פיסות צורן שהיו בעלות טמפרטורות שונות, החלו להיווצר באופן עצמאי מערכים של ננו-עמודים.
בליטות אלו המשיכו לצמוח עד אשר הן הגיעו לפיסת הצורן העליונה; העמודים המוגמרים היו, בדר”כ, בעלי גובה של מספר מאות ננומטרים ומרווחים זה מזה מיקרונים אחדים.
לעיתים, עמודים אלו חברו יחדיו ליצירת תבניות שנראו ממבט על כשרשראות בי-טבעתיות; במקרים אחרים העמודים צמחו במרווחים קבועים זה מזה תוך קבלת מערכים דמויי חלת-דבש. ברגע שטמפרטורת המערכת הוחזרה לטמפרטורת החדר המבנים התמצקו במקומם ליצירת צורות שהתגודדו עצמאית.
בשנת 2002, חוקרים בגרמניה, שנתקלו בתופעה זו, שיערו כי העמודים צומחים מתוך תנודות לחץ מזעריות ביותר – אבל אמיתיות לחלוטין – שקיימות במשטח, שרק נדמה לנו כחלק ושליו. הם הציעו כי ההבדלים בלחצים השוררים ע”ג המשטח נובעים משינויים זעירים בדרך שבה מנות (quanta) פרטניות של אנרגיה תנודתית, המכונות פונונים (phonons), מתפזרות ממתחמי המשטח.
“במודל של קבוצת מחקר זו, המדענים סבורים כי ההבדל בהתנגדות האקוסטית שבין האוויר לבין הפולימר הוא זה המוליד חוסר-איזון בשטף הפונונים אשר יוצר לחץ קרינתי הגורם לחוסר יציבות של השכבה ומביא בכך להיווצרותם של העמודים,” מציינת החוקרת. “המנגנון שלהם הינו המקבילה האקוסטית של אפקט קזימיר (אפקט פיזיקאלי אותו ניבא הפיזיקאי ההולנדי הנדריק קזימיר בשנת 1948 המתאר את המשיכה בין שתי פלטות מוליכות אך שאינן טעונות במטען חשמלי. תופעה זו הינה תוצאה של תנודות קוונטיות של הריק הנמצא בין הפלטות וקיימת גם עבור תצורות גיאומטריות שונות מפלטות, בין שני מוליכים) הדי מוכר לפיסיקאים העוסקים ברמה הננומטרית.”
אולם החוקרת, שהייתה מודעת להשפעות חום בתחום הננומטרי – ואשר ידעה כי ההתקדמות של פונונים אלו היא למעשה בלתי-סבירה בפולימרים מותכים אמורפיים, הנעדרים כל סדר מחזורי – הבינה מייד כי ייתכן ומסתתר לו מנגנון שונה במערכת זו.
בכדי לקבוע מהי הסיבה המעשית להיווצרות ננו-העמודים, צוות המחקר שלה פיתח מודל של דינאמיקה נוזלית מאותו הסוג של ננו-שכבה מותכת דקיקה במפל טמפרטורות. המודל שלהם, מסבירה החוקרת, “הפגין חוסר-יציבות של התגודדות עצמית שאפשר שיחזור של המבנים הבלתי-רגילים,” והראה כי הננו-עמודים, למעשה, נובעים לא כתוצאה מתנודות בלחצים אלא כתוצאה מתהליך פיסיקלי פשוט הידוע כזרימה תרמו-נימית (thermocapillary).
בזרימה נימית (חוק הנימיות, או כוח הנימיות) כוח המשיכה, או ההדבקה, שבין פרודות הקיימות באותו הנוזל (לדוגמא, מים) מייצר מתח פנים, אותו הכוח האחראי ליציבותה של טיפת מים. מאחר ומתח-פנים נוטה לצמצם את שטח הפנים של הנוזל, לעיתים הוא מתפקד כמנגנון ייצוב לעיוותים הנוצרים כתוצאה מכוחות אחרים. הבדלי-טמפרטורות לרוחב הממשק הנוזלי יוצרים הבדלים במתח-הפנים. ברוב הנוזלים, אזורים קרים יותר יהיו בעלי מתח פנים גבוה יותר מאשר אזורים חמים יותר – וחוסר-אחידות זה יכול לגרום לנוזל לזרום מהאזורים החמים יותר לקרים יותר – תהליך הידוע כזרימה תרמו-נימית. בעברה, החוקרת כבר השתמשה בכוחות שכאלו ליישומים מיקרו-נוזליים לשם הזזת טיפות נוזלים מנקודה אחת לאחרת.
“ניתן לראות מאוד היטב את התופעה הזו אם מזיזים קוביית קרח בתוך מסלול של הספרה שמונה מתחת לרדיד מתכת המצופה בנוזל כגון גליצרול,” היא מסבירה. “הנוזל זורם לעבר הקובייה במהלך הזזתה במסלול. בדרך זו אתה יכול לכתוב את שמך, והנה – יש לך צורה חדשה של ליתוגרפיה תרמו-נימית!”
במאמר שפורסם, הראו החוקרים כיצד תופעה זו עשויה, באופן תיאורטי, להתגבר על כל שאר הכוחות הפועלים במימדיים ננומטריים, וכן הראו כי התופעה אינה ייחודית לשכבות פולימריות. בניסויים של מפל-טמפרטורות, הם מסבירים, קצות העמודים הזעירים הללו בשכבה הפולימרית חווים טמפרטורה מעט יותר נמוכה מאשר הנוזל הסובב אותם, וזאת בשל קירבתם לפיסת הצורן הקרה יותר.
“מתח-הפנים של קצה העמוד המתפתח הוא מעט יותר גבוה, והבדל זעיר זה מייצר כוח חזק ביותר הפועל במקביל לממשק אוויר/פולימר, והמכווין את הנוזל למשטח הקריר יותר. ככל שהקצה מתקרב למשטח, כך הוא הופך לקר יותר, ובכך הוא מגביר את חוסר-היציבות העצמית,” מסבירה החוקרת.
בסופו של דבר, אומרת החוקרת, “הפעילות יכולה להסתיים בקבלת מבני-עמודים גבוהים מאוד. הגבול היחיד לגובהם של ננו-עמודים אלו הינו המרווח שבין פיסות הצורן.”
במודלים ממוחשבים, החוקרים הצליחו להשתמש בשינויים מבוקרים של הטמפרטורות של החומר הקר יותר בכדי לעצב במדויק את הצורות המשוכפלות המתקבלות בננו-משטח.
באמצעות אחד ממודלים אלו הם יצרו ננו-תבליט (“nanorelief”) תלת-מימדי של סמליל המכון קלטק.
צוות החוקרים החל עתה בניסויים מעבדתיים באמצעותם הם מקווים לייצר רכיבים ננו-אופטיים וננו-פוטוניים במגוון תצורות. “אנו מעוניינים עתה להכין משטחים חלקים מאוד – הכי חלקים שניתן לקבל – וצורות תלת-מימדיות שקשה לקבלן היום באמצעות שיטות ליתוגרפיה רגילות,” מוסיפה החוקרת.
“המחקר שהתבצע במכון שלנו הינו דוגמא טובה כיצד הבנה בסיסית של עקרונות הפיסיקה והמכאניקה יכולה להוביל לתגליות בלתי-צפויות בעלות יישומים מרחיקי-לכת ומעשיים,” אומר ראש המחלקה להנדסה ומדעים יישומיים בקלטק.
