Dr. Falko Schmidt trennt mit einem beheizbaren Mikroskop-Objektiv Nano-Bauteile voneinander.

Nano-Bauteile clever voneinander gelöst

Physiker der Universität Jena finden in einer europäischen Kooperation eine Lösung für das steuerbare Trennen von verklebten Nano-Bauteilen
Dr. Falko Schmidt trennt mit einem beheizbaren Mikroskop-Objektiv Nano-Bauteile voneinander.
Foto: Anne Günther (Universität Jena)
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Meldung vom: | Verfasser/in: Stephan Laudien

Eine verblüffende Lösung, miteinander verklebte Nano-Bauteile voneinander zu lösen, entwickelten Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena gemeinsam mit Fachkollegen aus Düsseldorf, Göteborg, Lyngby und Triest. Ihre Idee besteht darin, die Nano-Bauteile in ein Lösungsmittel zu tauchen, das sich in der Nähe eines kritischen Punktes befindet. Im Versuchsaufbau gelang es, die verklebten Teile steuerbar voneinander zu trennen, indem die Temperatur des Lösungsmittels verändert wurde. Ihr erfolgreiches Experiment stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature Physics“ vor.   

Am kritischen Punkt der Lösung trennen sich die Bauteile voneinander

„Wir haben nach einer Lösung gesucht, die unerwünschte Haftreibung von aneinander reibenden Nano-Teilchen aufzuheben“, erläutert Dr. Falko Schmidt vom Institut für Angewandte Physik der Universität Jena. Diese Haftreibung wird im Englischen stiction genannt, eine Zusammensetzung der Begriffe static und friction, hervorgerufen durch sogenannte Casimir-Kräfte. Diese Kräfte werden durch Fluktuationen hervorgerufen und führen unvermeidlich zum Zusammenkleben der Bauteile. Die Idee der Forscher war es nun, die Bauteile in eine Lösung zu geben, ein Wasser-Öl-Gemisch, in dem ebenfalls Fluktuationen auftreten. Diese Teilchenbewegungen lassen sich über die Änderung der Temperatur steuern. „Das Besondere ist also, dass wir die Fluktuationen nicht unterdrücken, sondern durch andere ersetzen“, sagt Falko Schmidt. Der gewünschte Effekt wurde im Experiment mit Hilfe eines beheizbaren Mikroskop-Objektivs erzielt. Es gelang, ein Goldplättchen über ein strukturiertes metallisches Substrat zu führen. Normalerweise würde das Goldplättchen am Substrat festkleben. Nähert sich die umgebende Flüssigkeit dem kritischen Punkt, also dem Temperaturbereich, bei dem sich Wasser und Öl entmischen, sind die Fluktuationen so stark, dass stiction vermieden wird. Das könne so wirksam sein, dass klebende Bauteile entfesselt und wieder bewegbar gemacht werden können, so das Fazit der Forschungsgruppe.   

Ein langer Weg bis zur Lösung eines naheliegenden Problems

Die Experimente führte Dr. Falko Schmidt noch an der Universität Göteborg durch, wo er zudem neue experimentelle Methoden entwickelte, die schließlich zum Erfolg führten. „Die Idee zu diesem Projekt war schnell geboren, da dieses Problem aus der Nanoherstellung eindeutig ersichtlich war“, sagt Schmidt. Doch der Weg zur Lösung sei lang gewesen. Letztlich setzte sich der Ansatz durch, den kritischen Casimir-Effekt durch den quantenelek­tro­dynamischen Casimir-Effekt zu dominieren.

Angewendet werden soll die Idee zukünftig, um mikro- und nanoelektromechanische Systeme von mechanischen Reibungsblockaden zu befreien und damit neue wirkungsvolle funktionsorientierte Nano-Bauteile weiterzuentwickeln.

Goldene Nanoteilchen (hier in hexagonaler Form) sind durch anziehende Casimirkräfte an Metallstreifen (farblich dargestellt) gebunden. Durch das Eintauchen der Teilchen in eine binäre Mischung, die bei höherer Temperatur entmischt (rote und blaue Blasen), werden diese vom Substrat wieder entbunden. Goldene Nanoteilchen (hier in hexagonaler Form) sind durch anziehende Casimirkräfte an Metallstreifen (farblich dargestellt) gebunden. Durch das Eintauchen der Teilchen in eine binäre Mischung, die bei höherer Temperatur entmischt (rote und blaue Blasen), werden diese vom Substrat wieder entbunden. Grafik: Falko Schmidt
Information

Original-Publikation:
F. Schmidt, A. Callegari, A. Daddi-Moussa-Ider, B. Munkbhat, R. Verre, T. Shegai, M. Käll, H. Löwen, A. Gambassi, G. Volpe: „Tunable critical Casimir forces counteract Casimir-Lifshitz attraction“, Nature Physics, (2022), DOI: 10.1038/s41567-022-01795-6

Kontakt:

Falko Schmidt, Dr.
Photonics in 2D-Materials
Raum 310
Albert-Einstein-Straße 7
07745 Jena