‘Mini Lisa’ dankzij nano-lithografie

Het is ongetwijfeld het bekendste schilderij in de wereld: de Mona Lisa. Onderzoekers aan het Georgia Institute of Technology hebben nu een reproductie weten te maken op een ‘doek’ dat ongeveer 30 micron breed is – een derde van een menselijke haar.

De ‘Mini Lisa’ is gemaakt met een techniek die mogelijk kan worden gebruikt bij de nano-productie van apparaten omdat het is gelukt de oppervlakteconcentratie van moleculen te variëren op wel zo’n korte lengteschaal.

Gecontroleerde reacties

Het beeld is gemaakt met een atoomkrachtmicroscoop en een proces dat luistert naar de naam thermochemische nano-lithografie (TCNL). Pixel voor pixel is een verwarmde naald op het substraatoppervlak geplaatst om tot een serie begrensde chemische reacties op nano-schaal te komen. Door per locatie slechts de warmte te variëren, wist promovendus Keith Carroll het aantal moleculen te controleren dat werd gecreëerd.

Hoe meer warmte, des te hoger de lokale concentratie. Meer warmte leidt tot de lichtere grijstinten, zoals op het voorhoofd en de handen is te zien. Minder warmte geeft ‘kleur aan de donkere delen van het haar en de jurk, als het moleculaire ‘doek’ zichtbaar wordt gemaakt met behulp van een fluorescerende verf. Elke pixel meet 125 nm.

Nauwkeurig

"Door de temperatuur af te stemmen, heeft ons team de chemische reacties gemanipuleerd om op nano-school tot variaties in de moleculaire concentraties te komen", zegt Jennifer Curtis, universitair hoofddocent aan de School of Physics en de hoofdauteur van de studie (Fabricating Nanoscale Chemical Gradients with ThermoChemical NanoLithography). "De ruimtelijke begrenzing van de reacties levert de nauwkeurigheid die nodig is om complexe chemische beelden te maken, zoals de Mini Lisa."

Grafeen

Het maken van chemische concentratiegradiënten en -variaties op sub-micrometerschaal is lastig met andere technieken, ondanks de waaier aan toepassingen die het proces mogelijk zou kunnen maken. Het Georgia Tech TCNL onderzoeksteam, waar ook universitair hoofddocent research collaboration Elisa Riedo en ‘Regents Professor’ (de hoogste academische titel in het Amerikaanse universitaire systeem) Seth Marader deel van uitmaken, heeft chemische gradiënten van aminegroepen gemaakt maar verwacht dat het proces kan worden uitgebreid voor gebruik met andere materialen.

"We verwachten dat het met TCNL mogelijk zal zijn om gradiëntpatronen te maken van andere fysische of chemische eigenschappen, zoals de geleidbaarheid van grafeen", zegt Curtis."Deze techniek moet het mogelijk maken een brede reeks experimenten en toepassingen uit te voeren op terreinen zo divers als nano-elektronica, opto-elektronica en bio-engineering."

Gemeengoed

Een ander voordeel is volgens Curtis dat atoomkrachtmicroscopen redelijk gewoon zijn en de thermische controle relatief eenvoudig is. Dit maakt de techniek toegankelijk voor zowel academische als industriële laboratoria. Om de nanoproductie van apparaten mogelijk te maken met TCNL heeft het team recent nano-arrays van vijf thermisceh naalden geïntegreerd om de productiesnelheid op te voeren.

Omdat de techniek een hoge ruimtelijke resolutie mogelijk maakt met een snelheid die veel hoger ligt dan bij bestaande methodes, zelfs met een enkele naald, hoopt Curtis dat TCNL het mogelijk zal maken te printen op nanoschaal, geïntegreerd met de productie van grote hoeveelheden oppervlakken van alledaagse materialen met afmetingen die meer dan een miljard maal groter zijn dan de TCNL-kenmerken zelf.