2009年10月23日
科学家们加州理工学院揭示了一种物理机制，通过这种物理机制，纳米级(十亿分之一米)柱阵列可以在聚合物薄膜上以非常高的精度生长，并可能以无限的模式生长。
上面的图像是一个示意图，显示了典型的实验设置。下面板是在聚合物薄膜中形成的260纳米高纳米柱，间距为3.4微米。资料来源:Upper: Dietzel and Troian, PRL 103, 074501(2009)。下:周和庄，J. Vac。科学。抛光工艺。B 173197(1999)。
这一纳米流体过程由加州理工大学应用物理、航空和机械工程教授Sandra Troian开发，最近发表在《物理评论快报》上的一篇文章中描述了这一点，有一天它将取代传统的光刻图案化技术，目前用于构建三维纳米和微型结构，用于光学、光子和生物流体设备。
高分辨率、大面积纳米阵列的制造在很大程度上依赖于传统的光刻技术，其中包括使用紫外线和腐蚀性化学物质交替溶解和蚀刻硅晶片和其他材料。欧洲杯足球竞彩例如，光刻技术被用于制造集成电路和微电子机械设备。
然而，反复循环的溶解和蚀刻导致纳米结构的表面粗糙度很大，最终限制了它们的性能。
Troian说：“这个过程本身也是二维的，因此三维结构必须一层一层地形成图案。”。
为了降低成本、加工时间和粗糙度，研究人员一直在探索替代技术，通过这种技术，熔融薄膜可以在原位一步成型和固化。
大约十年前，德国、中国和美国的研究小组在使用热梯度技术时遇到了一个奇怪的现象。当熔融的聚合物纳米薄膜被插入到一个细长的缝隙中，这个缝隙将两个在不同温度下放置的硅晶片分开，纳米尺度的柱状排列就自发形成了。
这些突起一直长到顶部晶圆;形成的柱一般有几百纳米高，相隔几微米。
这些柱子有时会合并，形成图案，从上面看就像自行车链;在其他的电影中，柱子以均匀间隔的蜂窝状阵列生长。一旦系统恢复到室温，结构就地凝固，产生自组织特征。
2002年，观察到这种现象的德国研究人员假设，这些柱子是由沿静止平面薄膜表面的极小但非常真实的压力波动产生的。他们提出，表面压力的差异是由单个包(或量子)的振动能量，即声子，从薄膜界面反射的同样微小的变化引起的。
Troian说：“在他们的模型中，空气和聚合物之间的声阻抗差异被认为会产生声子通量的不平衡，从而导致辐射压力，使薄膜不稳定，从而形成柱状物。”。“他们的机制是卡西米尔力的声学模拟，这是从事纳米级工作的物理学家非常熟悉的。”
但是熟悉小尺度热效应的Troian，知道这些声子在缺乏内部周期结构的无定形聚合物熔体中传播实际上是不可能的，他立即意识到在这个系统中可能隐藏着另一种机制。
为了确定纳米柱形成的真正原因，她和加州理工学院博士后学者Mathias Dietzel开发了一种流体动力学模型，该模型是同一类型的薄的、熔融的纳米膜在热梯度下形成的。
Troian说，他们的模型“展示了一种自组织的不稳定性，能够重现这种奇怪的结构”，并表明纳米柱实际上不是通过压力波动形成的，而是通过一个简单的物理过程，即热毛细管流动形成的。
在毛细管流动或毛细管作用中，同一液体(如水)分子之间的吸引力或凝聚力产生表面张力，这种压力使水滴聚集在一起。由于表面张力倾向于使液体的表面积最小化，它经常作为一种稳定机制来防止由其他力引起的变形。然而，沿液体界面的温度差异会产生表面张力的差异。在大多数液体中，温度较低的区域比温度较高的区域具有更高的表面张力，这种不平衡会导致液体从温度较高的区域流向温度较低的区域，这一过程被称为热毛细管流动。
此前，Troian将这种力用于微流控应用，将液滴从一点移动到另一点。
她说：“如果你把一块8字形的冰块移到涂有甘油等液体的金属板下面，你就能很好地看到这种效果。”。“液体在立方体上方涌出，因为它描绘出了图形。你可以用这种方式画出你的名字，而且，普雷斯托！你已经得到了一种新形式的热毛细光刻术！”
在他们的《物理评论快报》论文中，Troian和Dietzel展示了这种效应如何在理论上主导纳米尺度上的所有其他力，并表明这种现象并非聚合物薄膜所特有。
他们说，在热梯度实验中，聚合物薄膜中微小突起的尖端经历的温度比周围液体略低，因为它们靠近较冷的晶圆。
“尖端的表面张力只会稍微大一点，这就形成了一个非常强大的力，与空气/聚合物界面平行，引导流体流向较冷的晶圆。尖端越靠近晶圆片，温度就越低，导致自我强化的不稳定性，”Troian解释道。
最终，她说，“你可以得到很长的柱状结构。柱高度或纳米柱的唯一限制是晶圆的分离距离。”
在计算机模型中，研究人员能够利用较冷衬底温度的定向变化来精确控制在纳米薄膜中复制的图案。在一个这样的模型中，他们创造了加州理工学院标志的三维“纳米浮雕”。
Troian和她的同事们现在开始在实验室里进行实验，他们希望制造出不同的纳米级光学和光子元件阵列。Troian说:“我们正在努力研制具有镜面光滑表面的纳米结构——尽可能的光滑——以及传统光刻技术难以实现的三维形状。”
工程与应用科学部（EAS）主任阿瑞斯·罗萨基斯（Ares Rosakis）说：“这是一个例子，说明了对物理学和力学原理的基本理解如何导致可能具有深远实际意义的意外发现。”以及加州理工学院航空和机械工程教授西奥多·冯·卡曼。“这是EAS部门的真正实力。”欧洲杯线上买球