Nowe spojrzenie na wytwarzanie nanokanałów przy użyciu femtosekundowych impulsów laserowych

Ostatnie postępy w wytwarzaniu nanostruktur doprowadziły do ​​ich zastosowania w wielu dziedzinach, w tym w biomedycynie, chemii, inżynierii materiałowej i remediacji środowiska. W szczególności aktywnie badane są nanokanały (nanostruktury o co najmniej jednym wymiarze fizycznym mniejszym niż 100 nm) pod kątem ich potencjalnego wykorzystania w rozciąganiu DNA, nanofluidyce i membranach syntetycznych. Na przykład w konwencjonalnych metodach testowania DNA opartych na reakcji łańcuchowej polimerazy pojedynczy zmutowany gen można łatwo potraktować jako szum. W nanokanałach o średnicy mniejszej niż 100 nm cząsteczkę DNA można rozciągnąć wzdłuż linii. W rezultacie możliwe jest badanie par zasad jedna po drugiej wzdłuż pojedynczego DNA, dzięki czemu można dokładnie wykryć pojedynczy zmutowany gen.

Większość obszarów zastosowań skorzysta na nanokanalikach wykonanych z twardych i kruchych materiałów, takich jak krzemionka, diament i szafir, które zapewniają wysoką stabilność chemiczną i trwałość w trudnych warunkach. Niestety, wytwarzanie głębokich nanokanałów na takich materiałach jest wyzwaniem — do tej pory szeroko i pomyślnie odtworzono tylko nanokanały powierzchniowe za pomocą technik litograficznych.

Zespół naukowców z Xi’an Jiaotong University w Chinach koncentruje się na obiecującej technologii wytwarzania nanostruktur: bezpośrednim zapisie laserem femtosekundowym (FLDW). Mówiąc najprościej, FLDW używa bardzo krótkiego słowa (10^-15. s) oraz aktywne impulsy laserowe o wysokiej precyzji do tworzenia pożądanych nanostruktur (np. nanootwory, nanopęknięcia, nanopęknięcia). W swoim ostatnim badaniu Opublikowano w Advanced Photonics Nexuszespołowi udało się wykorzystać FLDW do stworzenia nanokanałów krzemionkowych o średnicy 30 nm, mniejszej niż w poprzednich badaniach, i współczynniku kształtu przekraczającym 200. Przypisuje się to zjawisku interakcji lasera z nowym materiałem, który został odkryte w procesie.

W swojej pracy zespół wykorzystał wiązkę Bessela – wiązkę laserową, która zachowuje swój kształt podczas propagacji, a nawet podczas skupiania się na małym punkcie. Pojedynczy impuls wiązki Bissella o długości fali 515 nm (uzyskany z lasera 1030 nm przez podwojenie częstotliwości) jest ogniskowany w odpowiedniej odległości od powierzchni próbki krzemionki. Niektóre eksperymenty z różnymi energiami impulsów laserowych i odległościami próbek przyniosły bardzo imponujące wyniki. Przy niskiej energii impulsu, w zależności od odległości próbki, na powierzchni krzemionki wykryto nanokanał 30 nm lub czystą strukturę kryzy (<1 μm). Przy wysokiej energii impulsu znacznie dłuższa wnęka o głębokości (5 μm poniżej) może jednocześnie tworzyć masę materiału z kraterem na powierzchni.

Po starannej analizie teoretycznej i symulacji zespół zdał sobie sprawę, że w grę wchodziła dotychczas nieobserwowana interakcja lasera z materiałem, którą zespół nazywa „wyrzucaniem powierzchniowym adiuwantu”. W tym procesie usunięcie materiału powierzchniowego otwiera okno na rozszerzanie i wyrzucanie materiału pochłoniętego głębiej w bloku, tworząc wnęki w wewnętrznym „gorącym polu” utworzonym przez wiązkę Bessela.

Paulina Segovia-Olvera, Associate Editor of Advanced Photonics Nexus, zauważa, że ​​praca ta znacząco przyczynia się do rozwoju wiedzy w dziedzinie obróbki materiałów laserowych: „Ta praca dostarcza nowych informacji na temat podstaw interakcji lasera z materią. możliwe jest wytwarzanie nanostruktur o wymiarach znacznie poniżej granicy dyfrakcji, która zazwyczaj określa minimalny rozmiar przewagi nanostruktury w przypadku konwencjonalnej produkcji laserowej”.

Biorąc pod uwagę ten postęp w wiedzy, niniejsze badanie może utorować drogę do przyjęcia FLDW jako solidnej, elastycznej i opłacalnej metody wytwarzania nanokanałów z dokładnością poniżej mikrometra. To z kolei może pomóc w rozwoju jego zastosowania w innych dziedzinach, takich jak genomika, kataliza i czujniki.

Przeczytaj artykuł Gold Open Access autorstwa Y. Lu, L. Kai et al.,”Nanokanały o cechach wielkości 18 nm i bardzo wysokim współczynniku kształtu na krzemionce dzięki wydalaniu adiuwantów na powierzchnię.,” EV. Foton. Nexus 1 (2), 026004 (2022), doi 10.1117/1.APN.1.2.026004.