В обзорной статье, опубликованной в ACS Nano, Ольга Овчинникова и ее коллеги предоставляют обзор существующих путей к трехмерным материалам, но конечной целью является создание и настройка материала в атомарном масштабе. Материал будет собираться атом за атомом, так же, как дети могут использовать Лего, чтобы построить автомобиль или замок, кирпич за кирпичиком.
Эта концепция, известная как направленная материя, может привести к практически идеальным материалам и продуктам, поскольку многие ограничения традиционных технологий производства будут устранены.«Возможность собирать материю атом за атомом в трехмерном пространстве позволит нам разрабатывать материалы, которые будут более прочными и легкими, более устойчивыми в экстремальных условиях и обеспечат экономичные решения для энергетики, химии и информатики», — сказала Овчинникова.По сути, направленный материал устраняет необходимость удаления нежелательного материала литографией, травлением или другими традиционными методами.
Исследователи отметили, что эти процессы хорошо послужили обществу, но новое поколение материалов и продуктов требует нового подхода.«На протяжении большей части документированной истории материальное преобразование ограничивалось объектами, видимыми невооруженным глазом, и создало узор с помощью ручных инструментов», — пишут исследователи. «Мы можем восхищаться мастерством письма рисовых зерен или прекрасной гравировки на ценном лезвии меча, но только два-три порядка отделяют эти шедевры от технологий каменного века».Теперь, когда появилась возможность направлять материю с атомарной точностью, расплачиваться за это могут квантовые компьютеры, сотовые телефоны с большим объемом памяти и более длительными интервалами между зарядками, более эффективные солнечные элементы и более прочные и менее дорогие легкие материалы.
«На самом деле сложно предсказать, куда это может пойти и как эта технология может изменить нашу жизнь, но мы намерены это выяснить», — сказала Овчинникова.Используя вычисления и моделирование, исследователи могут точно представлять, прогнозировать, создавать и контролировать электрические и другие свойства материала, вместо того, чтобы идти на компромисс. Ведущий автор Стивен Джесси отметил, что подход направленной материи основан на десятилетиях исследований и использует инструменты, изначально предназначенные для изучения материалов для изготовления новых с разрешением элементов менее 10 нанометров (10 миллиардных долей метра).
Например, просвечивающий электронный микроскоп, разработанный в 1930-х годах, позволил получить изображение одного атома, визуализацию химической деформации и структурное картирование на пикометровом уровне. Однако с самого начала необходимо было управлять взаимодействием пучка с веществом, чтобы предотвратить «повреждение пучка», что препятствовало фундаментальным исследованиям, заявили исследователи.«Однако это взаимодействие в сочетании с получением изображений с помощью электронной, а в последнее время и ионной микроскопии может быть использовано в качестве основы для следующего поколения инструментов для нанотехнологий», — сказал Джесси.
В статье представлены краткие сведения о нескольких других альтернативах атомно-точного изготовления трехмерных материалов на основе электронных и ионных пучков, включая обработку, индуцированную сфокусированным электронным пучком, из газовых прекурсоров и жидких прекурсоров.