La creación de estructuras complejas a escalas diminutas ha sido un reto persistente para los ingenieros. Sin embargo, una nueva investigación de la Universidad Tecnológica de Georgia (Georgia Tech) ha demostrado que los haces de electrones, ampliamente utilizados en la imagen y la fabricación, pueden también servir como herramientas de precisión ultra para tallar y construir estructuras a partir de materiales como el cobre.
El grupo de investigación del profesor Andrei Fedorov, de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff, ha descubierto una técnica que utiliza haces de electrones enfocados en un entorno líquido para eliminar o depositar cobre, dependiendo de la química circundante. Ajustando la cantidad de amoníaco en la solución, los investigadores lograron controlar si el haz tallaba el material o lo depositaba, permitiendo así esculpir en 3D a nivel atómico.
Un proceso de doble vía
Las técnicas de haz de electrones suelen utilizarse para eliminar o añadir material, pero no ambas cosas. En este estudio, los investigadores desarrollaron un proceso que puede realizar cualquiera de las dos acciones, o incluso ambas en secuencia, utilizando el mismo equipo. En los experimentos, se enfocó un haz de electrones sobre cobre sumergido en una solución de agua y amoníaco. Con bajas concentraciones de amoníaco, el haz talló estrechos surcos de apenas 50 nanómetros de profundidad, alrededor de 2,000 veces más delgado que una hoja de papel.
Con el tiempo, los átomos de cobre eliminados durante el proceso de grabado comenzaron a redepositarse dentro de los surcos, formando pequeñas estructuras verticales como picos en valles. Al controlar el tiempo de exposición del electrón y el número de electrones que impactaban el material, se podían crear patrones y estructuras de diferentes tamaños.
Al aumentar la concentración de amoníaco, la química del entorno cambió. El ambiente se volvió más reductor, lo que favorece la acumulación de cobre en lugar de su eliminación. En este caso, el haz actuó como un guía, dirigiendo dónde se depositaba el cobre para formar intrincadas nanoestructuras.
La clave para este control preciso radica en el papel que desempeña el amoníaco en la solución líquida. «El amoníaco cumple varias funciones importantes. Ayuda a transportar átomos de cobre en solución, neutraliza reacciones no deseadas y hace que el entorno sea más favorable para construir en vez de tallar», explicó Auwais Ahmed, autor principal del estudio y estudiante de doctorado en la Escuela Woodruff.
Al ajustar cuidadosamente la concentración de amoníaco y la exposición al haz de electrones, el equipo pudo afinar la forma y estructura de la superficie de cobre con precisión a nivel nanométrico. También desarrollaron modelos y realizaron simulaciones para comprender mejor cómo estos cambios químicos afectan el comportamiento del cobre. «Lo emocionante es que no solo estamos construyendo o eliminando, sino que estamos cambiando dinámicamente entre esos modos en tiempo real», agregó Fedorov.
La capacidad de esculpir superficies a nivel atómico tiene amplias implicaciones para las tecnologías futuras. Este nuevo método podría utilizarse para crear herramientas científicas ultra-sensibles, como sondas y sensores microscópicos, agujas a nanoescala para la entrega dirigida de fármacos o genes, y circuitos apilados en 3D para chips de computadora de próxima generación. Dado que el enfoque es químicamente ajustable, podría aplicarse eventualmente a otros materiales más allá del cobre.
«Esto nos proporciona una nueva herramienta flexible para la fabricación a nanoescala», concluyó Ahmed. «Al controlar la química local, podemos esencialmente imprimir en 3D y sustraer al mismo tiempo, abriendo nuevas posibilidades para el diseño y la fabricación en nanotecnología».
