Das Tiny House der Welt:Eine 20-Mikrometer-Mikrostruktur

• Mit einem Rasterelektronenmikroskop bauen Wissenschaftler das kleinste Mikrohaus der Welt. 
• Es ist fast 20 Mikrometer lang und auf einer gespaltenen optischen Faser aufgebaut. 
• Das Experiment war eine unterhaltsame Möglichkeit, die Genauigkeit und Flexibilität von µRobotex zu demonstrieren. 

Die Arbeit im Nanomaßstab ist eine äußerst schwierige Aufgabe. Zur Entwicklung von Mikro-Origami-Strukturen sind viele komplexe Materialien, Montagetechniken und Roboterkonstruktionen erforderlich.

Jetzt haben Wissenschaftler des Femto-ST-Instituts in Frankreich eine neue Möglichkeit entwickelt, in so kleinem Maßstab zu arbeiten. Sie nutzten ein Zweistrahl-Rasterelektronenmikroskop (REM)/fokussierten Ionenstrahl (FIB) mit einem Roboter mit 6 Freiheitsgraden, um das kleinste Mikrohaus der Welt zu bauen.

Sie realisierten erstmals eine Strukturierung und Montage mit einer Genauigkeit von weniger als 2 Nanometern, was für zukünftige Robotik- und optische Anwendungen von Vorteil sein könnte.

Wie haben sie das gebaut?

Sie kombinierten die Nanomontagekomponenten in einer Vakuumkammer und richteten ein Elektronenmikroskop ein, um den gesamten Prozess zu beobachten. Es ist dem Bauen eines großen Würfels aus einem Stück Papier sehr ähnlich, erfordert jedoch ausgefeilte Werkzeuge und Techniken.

Musterung, Selbstfaltung und Installation des Mikrohauses 

Die Forscher verwendeten FIB [wie eine Schere], um die Silica-Membran [Papier] des Hauses zu schneiden und zu formen. Nachdem sie die Wände an die gewünschte Stelle gefaltet hatten, verwendeten sie das Gasinjektionssystem von FIB [bei Konfigurationen mit geringer Leistung], um die Kanten der Struktur zu befestigen.

Um die Flexibilität und Genauigkeit des Systems zu demonstrieren, sputterten sie vorsichtig ein Fliesenmuster auf das Dach der Struktur. Bei diesem gesamten Hausbauprozess musste sich das System auf einen winzigen Bereich von 300 x 300 Mikrometern konzentrieren, um Ionen auf die Silica-Membran abzufeuern.

Mit freundlicher Genehmigung von Forschern | Femto-ST-Institut

Zu diesem Zweck bedienten zwei Ingenieure den Roboter über mehrere Computer. Obwohl einige Schritte bereits automatisiert wurden, hoffen die Forscher, den gesamten Montageprozess in Zukunft zu automatisieren.

Referenz: Journal of Vacuum Science &Technology | doi: 10.1116/1.5020128

Warum haben sie das getan?

Das Experiment war eine unterhaltsame Möglichkeit, die Funktionsweise [Flexibilität und Genauigkeit] von µRobotex zu demonstrieren – einer Plattform zur Charakterisierung und Mikromontage winziger Strukturen mit Abmessungen von weniger als 10 Mikrometern. Ziel ist es, Wissenschaftlern im Bereich der Mikro- und Nanotechnologien auf internationaler Ebene fortschrittliche und wettbewerbsfähige Geräte zur Verfügung zu stellen.

Mit Hilfe des μRobotex-Systems können Ingenieure funktionalisierte Mikrostrukturen konstruieren, um bestimmte Moleküle zu identifizieren, indem sie ihre eigenen Mikrostrukturen auf optischen Fasern platzieren. Diese Fasern würden dann in unzugängliche oder schwer zugängliche Regionen wie Blutgefäße eingeführt, um Zielmoleküle zu erkennen.

Darüber hinaus zeigen die experimentellen Ergebnisse, dass die Integration eines Mikroroboters in eine SEM-Vakuumkammer die Möglichkeit bietet, den Umfang von Reinraumeinrichtungen zu erweitern, um dreidimensionale Mikrostrukturen mit unterschiedlichen Materialien zu konstruieren.

Die Forscher schlugen außerdem einen neuen Mechanismus zur Herstellung verschiedener Arten optischer Funktionen zum Einfangen von Licht vor, der auf nanophotonischen Kristallen, Gittern, Antennen, Kohlenstoffnanoröhren, 3D-Biosensoren mit Origami usw. basiert.

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Derzeit arbeiten die Wissenschaftler daran, das System weiter zu verbessern; Sie wollen dünnere Strukturen bauen und diese auf Kohlenstoffnanoröhren mit einem Radius von nur 10 Nanometern befestigen.