Ученые из Йельского Университета (Yale University) детально описали новый тип металла и технологию его литья, который может революционизировать процессы изготовления изделий наноразмеров, начиная от компьютерной памяти до биомедицинских датчиков. Изделия из нового материала могут быть отлиты точно так же, как из пластмассы, детали изделий нано размера имеют высокую точность, а сам металл при этом остается тверже и прочнее, чем кремний или сталь.

Среди новых путей к дешевой и производительной миниатюризации компьютерных чипов, одним из действенных решений может считаться нано штамповка или литье. Такие технологии требуют изготовления форм и шаблонов с нано точностью. Проблемами здесь являются низкая твердость и долговечность у продукции из кремния, который позволяет получить необходимые конфигурации деталей, а также и большой размер зерна у металлов (обладающих необходимой твердостью), не позволяющий отливать изделия с деталями в нано диапазоне размеров.

Различные изделия (нано-шаблоны, нано-проволока, шестерни, мембрана, скальпели, пинцеты), изготовленные отливкой «металлического стекла» в диапазоне размеров от 13 нм до нескольких мм (Изображения: Kumar/Schroers, Yale University)

Группа исследователей Инженерной Школы «Йельского Университета»: http://www.seas.yale.edu/ обратилась за решением к металлам, известным, как BMG (bulk metallic glasses) или «металлическое стекло». Такие металлы не формируют кристаллической структуры при быстром охлаждении после нагрева. Такие материалы кажутся твердыми, но на самом деле являются чем-то вроде «очень медленно текущей жидкости», не имеющей структуры за пределами атомных уровней. Именно аморфные металлы очень хороши для отливки тонких деталей по мнению авторов исследования, результаты которого опубликованы в журнале Nature (Golden Kumar, Hong X. Tang, Jan Schroers. Nanomoulding with amorphous metals, – Nature 457, 868 – 872 (12 Feb 2009), doi: 10.1038/nature07718, Letters to Editor). Согласно Джену Шроерсу (Jan Schroers), адъюнкт-профессору металловедения Инженерной Школы, BMG уже известны порядка десяти лет и многие исследователи работают с ними. Успех сопутствовал группе проф. Шроерса, которой удалось решить двоякую задачу – и изготовить шаблоны и осуществить процесс печати. По мнению проф. Шроерса у нового способа очень хорошие перспективы заменить сразу несколько операций в литографической технологии производства компьютерных чипов.

Для того, чтобы получить столь мелкие детали – на уровне наноразмеров, исследователям пришлось решить ряд проблем. Главной трудностью является то, что при переходе к наноразмерам штампы для литья и готовые изделия искажаются силами межмолекулярного взаимодействия.

Ученые обнаружили, что, варьируя комбинациями материалов для шаблона и отливки, можно подобрать такие поверхности двух сред, у которых силы межмолекулярного взаимодействия будут компенсироваться на атомарном уровне. При этом, наилучшим материалом для штампа являются BMG. В качестве материала для отливки исследователи предлагают использовать полимеры. В статье группа описывает процесс изготовления структур с деталями размером вплоть до 13 нм. Ученые предполагают, что возможно изготовление изделий с еще более мелкими деталями, поскольку «разрешение» в этом случае ограничено лишь размерами одиночных атомов аморфных металлов.

Проф. Шроерс считает, что точно так же, как пластмассы были «гвоздем» среди материалов 1960-х годов, BMG – материалы будут модным словом следующего десятилетия. Ученые считают, что метод позволит производить элементы микросхем и биомедицинские датчики.

Финансирование проекта произведено Национальным Фондом научных исследований (National Science Foundation) США.

Евгений Биргер