Новое исследование, опубликованное учеными из США, проливает больше света на процесс броуновского движения нанопроводов в растворе. Представленная работа важна не только для улучшения процесса создания наноматериалов при разработке электронных устройств, но поможет также лучше понять поведение биологических объектов, к примеру, бактерий и сперматозоидов.

Броуновское или хаотическое тепловое движение характерно для микроскопических объектов (таких как бактерии, сперматозоиды, жгутики, нанотрубки или нанопровода), взвешенных в жидкости.

Обусловлено оно случайными столкновениями этих объектов с молекулами жидкости. В большинстве реальных ситуаций броуновское движение объектов ограничено определенными границами (например, поверхностями или мембранами биологических клеток).

Таким образом,

характеристика этого так называемого гидродинамического взаимодействия с границами имеет решающее значение не только для лучшего понимания биологических объектов, но и для упрощения сборки наночастиц при изготовлении наноэлектронных устройств.

В своей последней работе группа ученых из University of California и Lawrence Berkeley National Laboratory (США) сообщила об успешном наблюдении броуновского движения нанопроводов, закрепленных на подложке, в трех измерениях.

По словам исследователей,

их эксперименты позволили изучить сложные гидродинамические взаимодействия между подложкой и нанопроводами благодаря разработанной ими трехмерной компьютерной модели.

Свои результаты ученые получили при помощи техники динамической интерференции, которая позволила им наблюдать, как закрепленные нанопровода движутся в жидкости. Надо отметить, что

в своих экспериментах ученые использовали кремниевые нанопровода толщиной 150 нм и длиной от 5 до 25 мкм.

Нанопровода размещались в закрытой камере – предметное стекло было помещено в жидкость. Один из концов каждого нанопровода был закреплен на поверхности предметного стекла при помощи ванн-дер-ваальсового взаимодействия. Противоположные концы нанопроводов были свободными, т.е. структуры свободно вращались в результате броуновского движения вокруг точки закрепления.

При облучении описанной системы монохроматическим светом лучи, рассеянные нанопроводами, интерферировали с лучами, отраженными от границы фаз (воды и стекла), создавая периодическую интерференционную картину. Обработка этих изображений позволила ученым измерять в режиме реального времени углы наклона нанопроводов, т.е. отслеживать их движения в трех измерениях в растворе.

Как считают сами ученые,

опубликованная ими работа позволяет лучше понять, как наночастицы взаимодействуют с границами.

В перспективе они ожидают, что

разработанная ими техника, наряду с предложенной компьютерной моделью, станет мощным инструментом для анализа различных мягких конденсированных сред, в том числе, биологических частиц вблизи клеточных мембран.

Также работа будет иметь важное значение для понимания процессов самосборки наноматериалов на подложках (в рамках разработки новых наноэлектронных устройств). Предложенная математическая модель может даже обеспечить оптимизацию условий эксперимента во время сборки наноструктур и снизить погрешности, вызванные тепловыми флуктуациями и гидродинамическими взаимодействиями.

В ближайшем будущем команда планирует заняться изучением ферромагнитных нанопроводов, используя тот же самый метод динамической интерферометрии. Они надеются использовать свой эффективный и универсальный численный расчет для имитации более сложных практических ситуаций, к примеру, для самосборки нанообъектов.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review E.