Nanopelare

Nanopillars är en framväxande teknologi inom området nanostrukturer . Nanopelare är pelarformade nanostrukturer med en diameter på cirka 10 nanometer som kan grupperas i gitterliknande arrayer. De är en typ av metamaterial , vilket innebär att nanopelare får sina attribut från att grupperas i artificiellt utformade strukturer och inte deras naturliga egenskaper. Nanopelare skiljer sig från andra nanostrukturer på grund av sin unika form. Varje nanopelare har en pelarform i botten och en avsmalnande spetsig ände på toppen. Denna form i kombination med nanopelares förmåga att grupperas uppvisar många användbara egenskaper. Nanopelare har många applikationer inklusive effektiva solpaneler , högupplöst analys och antibakteriella ytor.

Ansökningar

Solpaneler

På grund av sina avsmalnande ändar är nanopelare mycket effektiva på att fånga ljus. Solfångarytor belagda med nanopelare är tre gånger så effektiva som nanotrådsolceller . Det behövs mindre material för att bygga en solcell av nanopelare jämfört med vanliga halvledande material. De håller också bra under tillverkningsprocessen av solpaneler. Denna hållbarhet gör det möjligt för tillverkare att använda billigare material och billigare metoder för att producera solpaneler. Forskare tittar på att sätta dopämnen i botten av nanopelarna, för att öka den tid fotoner kommer att studsa runt pelarna och därmed mängden ljus som fångas upp. Förutom att fånga ljus mer effektivt, kommer användningen av nanopelare i solpaneler att göra det möjligt för dem att vara flexibla. Flexibiliteten ger tillverkarna fler alternativ för hur de vill att deras solpaneler ska formas samt minskar kostnaderna när det gäller hur ömtåligt panelerna måste hanteras. Även om nanopelare är effektivare och billigare än standardmaterial, har forskare inte kunnat masstillverka dem ännu. Detta är en betydande nackdel med att använda nanopelare som en del av tillverkningsprocessen.

Antibakteriella ytor

Nanopelare har även funktioner utanför elektroniken och kan imitera naturens försvar. Cikadornas vingar är täckta av små, nanopelarformade stavar. När bakterier vilar på en cikadans vinge, kommer dess cellmembran att fastna på nanopelarna och springorna mellan dem och spricka det. Eftersom stavarna på cikadorna har ungefär samma storlek och form som konstgjorda nanopelare är det möjligt för människor att kopiera detta försvar. En yta täckt med nanopelare skulle omedelbart döda alla mjuka membranbakterier. Mer stela bakterier kommer att vara mer benägna att inte spricka. Om de massproduceras och installeras överallt kan nanopelare minska mycket av risken för att överföra sjukdomar genom att röra vid infekterade ytor.

Antibakteriell mekanism

Det finns flera modeller föreslagna för att förklara nanopelarnas antibakteriella mekanism. Enligt stretching och mekano-inducerande modell, för en relativt enhetlig nanotopografi som nanopelare som finns på cikadavinge, dör bakterierna på grund av att bakteriecellväggen brister som är upphängd mellan två intilliggande nanopelare i motsats till en punkteringsmekanism. Nanopelarnas egenskaper som höjd, densitet och skärpa hos nanopelarna visade sig påverka de övergripande antibakteriella egenskaperna hos nanopelarna. Den relativa korrelationen mellan nanopelaregenskaper är dock svår att fastställa på grund av flera motstridiga resultat i litteraturen. Alternativa antibakteriella mekanismer för nanopelare inkluderar de potentiella effekterna av skjuvkraft, negativt fysiologiskt svar från bakterier och inneboende tryckeffekter från interaktionen mellan bakteriella ytproteiner och nanopelare.

Högupplöst molekylär analys

En annan användning av nanopelare är att observera celler. Nanopelare fångar ljus så bra att när ljus träffar dem dör glöden som nanopelarna sänder ut vid cirka 150 nanometer. Eftersom detta avstånd är mindre än ljusets våglängd, tillåter det forskare att observera små föremål utan störningar av bakgrundsljus. Detta är särskilt användbart vid cellulär analys. Cellerna grupperar sig runt nanopelarna på grund av dess ringa storlek och känner igen den som en organell. Nanopelarna håller helt enkelt cellerna på plats medan cellerna observeras.

Historia

År 2006 utvecklade forskare vid University of Nebraska-Lincoln och Lawrence Livermore National Laboratory ett billigare och mer effektivt sätt att skapa nanopelare. De använde en kombination av nanosfärlitografi (ett sätt att organisera gittret) och reaktiv jonetsning (formade nanopelarna till rätt form) för att göra stora grupper av kiselpelare med mindre än 500 nm diametrar. Sedan, 2010, tillverkade forskare ett sätt att tillverka nanopelare med avsmalnande ändar. Den tidigare designen av en pelare med en platt trubbig topp reflekterade mycket av ljuset som kom in på pelarna. De avsmalnande topparna låter ljus komma in i skogen av nanopelare och den bredare botten absorberar nästan allt ljus som träffar den. Denna design fångar cirka 99% av ljuset medan nanorods som har en enhetlig tjocklek bara fångar 85% av ljuset. Efter introduktionen av avsmalnande ändar började forskare hitta många fler tillämpningar för nanopelare.

Tillverkningsprocess

Att konstruera nanopelare är en enkel men lång procedur som kan ta timmar. Processen för att skapa nanopelare börjar med anodisering av en 2,5 mm tjock aluminiumfolieform. Anodisering av folien skapar porer i folien en mikrometer djup och 60 nanometer bred. Nästa steg är att behandla folien med fosforsyra som expanderar porerna till 130 nanometer. Folien anodiseras ännu en gång vilket gör dess porer en mikrometer djupare. Slutligen tillsätts en liten mängd guld till porerna för att katalysera reaktionen för tillväxten av halvledarmaterialet . När aluminiumet skrapas bort finns en skog av nanopelare kvar inuti ett hölje av aluminiumoxid. Dessutom kan pelar- och rörstrukturer också tillverkas genom uppifrån-och-ned-metoden av kombinationen av djup UV (DUV) litografi och atomskiktsdeposition (ALD).