Выяснен механизм образования нанопор: ключевую роль играют нановулканы
|
Нановулканы, образующиеся вблизи отверстий при напылении ионов на поверхность, оказались ключевым промежуточным этапом в процессе образования микроскопических пор молекулярного размера.
Желание скрестить два современных направления нанотехнологии — микроэлектронику и физику биологических молекул — вполне естественно. Реализации этого желания, однако, мешает пока сильная разница характерных размеров. Так, современная электроника работает со структурами размера немногим менее 50-100 нанометров (нм), в то время как типичный размер белковых молекул не превышает одного-двух нанометров. Например, если мы хотим получить детектор, который бы избирательно пропускал биологические молекулы только с определенной пространственной структурой (то есть сымитировать работу клеточной мембраны), нам необходимо уметь создавать подходящие отверстия нанометрового размера.
Несколько лет назад была разработана техника получения нанопор диаметром вплоть до 2 нм, что как раз подходит для биодетекторов. Методика, описанная физиками из Гарвардского университета в статье J. Li et al., Nature (London) 412, 166 (2001), проста: вначале высверливается «большое» отверстие размером в сотни нанометров, а затем на него осаждается поток ионов аргона. Ионы постепенно «забивают» пору, ее диаметр плавно уменьшается от начального размера до нуля, и если за мгновение до «закрытия» выключить ионный пучок, то удается получить очень узкие нанопоры.
И всё бы хорошо, но только долгое время детальный механизм этого процесса оставался неясным. Для того чтобы понять его, группе из Гарварда потребовалось 4 года; результат этого исследования (T. Mitsui et al., Physical Review Letters, 96, 036102, 23 January 2006) был на днях опубликован в журнале Physical Review Letters. (Статья также доступна на сайте одного из авторов, PDF, 3,7 Мб.)
Авторы выяснили, что в процессе напылении вещества вокруг пор образуются миниатюрные «вулканы» нанометровых размеров. Только в отличие от своих настоящих геологических собратьев эти нановулканчики не выбрасывали вещество, а наоборот — всасывали его, как бы росли изнутри.
Теоретическое изучение этого процесса выявило два ключевых фактора, приводящих к образованию вулканчиков: электрическое поле, которое порождается на непроводящей поверхности потоком падающих ионов, и нецилиндрическая, расширяющаяся книзу форма поры.
Электрическое поле, действующее в плоскости, приводит к большой мобильности не только ионов, но и всех нейтральных атомов на поверхности. (Об особенностях диффузии атомов на поверхности см. в заметке Диффузия примесных атомов на поверхности монокристалла.) Под действием электрических сил вещество устремляется к нанопорам, однако вблизи кромки сила притяжения сменяется на силу отталкивания, и в результате вещество накапливается вблизи поры: вулкан растет. Рано или поздно некоторые атомы проникают внутрь, пора постепенно зарастает, и в конце концов «жерло» вулкана полностью перекрывается. В этот момент распределение поля меняется, уже ничто не удерживает вещество вблизи закрывшегося отверстия и вулкан быстро «смывается» электрическими силами к соседнему открытому отверстию.
Нет необходимости напоминать, что практически любое исследование в этой области — очередной конкретный шаг на пути к светлому нанотехнологическому будущему. Стоит, однако, отметить особо, что эта работа является прекрасной иллюстрацией типичного подхода в нанотехнологии: не обязательно изготавливать нанопредмет вручную. Иногда достаточно «состряпать» заготовку и затем запустить такой физический процесс, который самостоятельно «выточит» из нее то, что требуется.
Игорь Иванов
