Công cụ mới cho công nghệ nano: Kẹp nhiệt

Các lực ngẫu nhiên (do chuyển động Brown) có thể được dùng để bẫy và thao tác trên các hạt nano trên một về mặt với sự có mặt của bức xạ laser theo tính toán của các nhà quang học Australia. Đây là một kết quả kinh ngạc bởi lẽ thường lực Brown thường gây bất lợi cho bẫy quang học các hạt nhỏ dưới 100 nm. "Kẹp nhiệt" có thể được dùng cho các kỹ thuật chế tạo với độ phân giải ở thang nanomet như là ghi ảnh hay các phần tử nhớ với bề mặt ghi lại (Theo các kết quả công bố trên Applied Physics Letter 90 054108, 2007).

Các kẹp quang học dùng để thao tác trên các hạt sử dụng một chùm tia laser hội tụ mạnh để tạo ra một lưỡng cực điện cảm ứng trong hạt là một trong những chủ đề nghiên cứu hấp dẫn của quang học hiện đại. Hướng nghiên cứu này đã tạo ra một thị trường hấp dẫn nhiều triệu USD do nhiều ứng dụng to lớn trong y tế, khoa học sự sống, các máy vi cơ, sensor và các kỹ thuật đo đạc.

Tuy nhiên, thao tác quang học trên các hạt có kích thước dưới 100 nm thường rất khó khăn do sự chi phối của các lực ngẫu nhiên Brown mạnh hơn là lực do bẫy gradient tạo ra bởi các trường quang học bất đồng nhất. Mới đây, nhóm của Dmitri Gramotnev và các cộng sự ở Đại học Công nghệ Queensland (Australia) đã tính toán ra rằng lực Brown trên thực tế có thể sử dụng một cách hữu hiệu cho việc bẫy và thao tác với các hạt nhỏ và các nguyên tử trên bề mặt khi có sự biến điệu nhiệt độ mạnh.

Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng gradient nhiệt độ trong các môi trường rắn có thể gây ra sự khuếch tán dị hướng (bất đẳng hướng) của các nguyên tử hay các hạt từ vùng nóng tới vùng lạnh - hiệu ứng liên quan đến chuyển động Brown và được gọi là hiệu ứng "thermophoresis". Tuy nhiên, Gramotnev và các cộng sự lại chỉ ra rằng hiệu ứng themophoresis trên bề mặt lại tỏ ra có hiệu quả hơn cho việc phân bố lại các hạt, các nguyên tử từ vùng nóng sang lạnh vài bậc so với trong môi trường bên trong vật rắn. Điều này có nghĩa là hiệu ứng thermophoresis ở trên bề mặt có thể sử dụng cho kỹ thuật mới (mà các nhà khoa học gọi là "kẹp nhiệt" - thermal tweezer) cho việc bẫy và thao tác các hạt nano.

Hình vẽ nguyên lý bẫy nhiệt của Gramotnev. (Ảnh: Vatlyvietnam)

Theo tính toán, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một gradient nhiệt độ bằng cách sử dụng hai (hoặc nhiều hơn hai) xung laser ngắn giao thoa hoạt động trong vùng khả kiến. Họ phát hiện ra rằng hiệu suất bẫy của kẹp nhiệt này tăng lên khi mà kích thước của các hạt giảm đi. Điều này hoàn toàn ngược lại so với các kẹp quang học kinh điển, có hiệu suất giảm đi khi kích thước hạt giảm. Kỹ thuật laser kiểu này có thể được sử dụng cho việc chế tạo các cấu trúc nano với độ phân giải chỉ ở cỡ vài chục nanomet và tạo hình các nền bề mặt.

"Đây có thể sẽ là bước đầu tiên để tiếp cận các công đoạn xử lý công nghệ hoàn toàn quang học như ở các công nghệ lắng đọng các nguyên tử và hạt nano trên bề mặt bằng công nghệ lắng đọng bằng laser xung (Pulse Laser Deposition - PLD)" - Gramotnev lý giải - "Và kẹp nhiệt này còn có thể sử dụng để điều khiển các hạt lắng đọng và sắp xếp chúng trên những vị trí quy định trước ở độ phân giải thang nanomet".

(Ảnh: Vatlyvietnam)

Một ứng dụng khác của kỹ thuật này có thể bao gồm cả việc tạo ảnh và cho các phần tử nhớ bằng cách ghi lại bề mặt, Gramotnev bổ sung thêm. "Mọi loại ảnh có thể tạo ra bằng kỹ thuật ảnh toàn ký (Holography) trênnguyên lý đều có thể ghi lại một cách thuận nghịch bằng cách phân bố lại các hạt nano hay nguyên tử và phâ tử trên bề mặt" - Theo giải thích của Gramotnev.

Nhóm nghiên cứu ở Queensland đang xúc tiếp nghiên cứu các ứng dụng của kẹp nhiệt này với sự có mặt của tương tác giữa các hạt, với hi vọng sẽ làm tăng đáng kể hiệu suất bẫy. Và Gramotnev nói rằng họ cũng đang trông đợi các đầu tư để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm một cách toàn diện để phát triển kỹ thuật này.

Vạn lý Độc hành