Физики нашли способ избежать слипания деталей в микро- и наноустройствах

Физики разработали метод, который позволяет избежать слипания двух близко расположенных нанопластин и управлять перемещением одной из них. Для этого они поместили пластины в двухкомпонентную жидкость, в которой между пластинами возникают силы отталкивания, зависящие от температуры. Меняя температуру, ученые регулировали расстояние между нанообъектами. Технологию планируют использовать в микро- и наноустройствах. Работа опубликована в Nature Physics.

При разработке наноустройств одной из проблем может быть слипание частей, которое происходит из-за сил Казимира. Силы Казимира возникают между двумя поверхностями, расположенными на расстояниях не более нескольких сотен микрометров, из-за квантовых флуктуаций электромагнитных полей в вакууме. В вакууме возникают и исчезают виртуальные фотоны, которые давят на поверхности. Чем ближе друг другу поверхности, тем меньше между ними возникает фотонов, из-за чего давление внутренних фотонов оказывается меньше неизменного внешнего давления, — поверхности слипаются.

В среде и при конечной температуре обобщением сил Казимира становятся силы Казимира — Лившица. Они могут быть не только отталкивающими, но и притягивающими. Ученые уже демонстрировали отталкивание пластин особой геометрической формы и при определенном подборе поверхностей и среды между ними. Однако в таких экспериментах трудно регулировать силу отталкивания и расстояние между пластинами. Создание условий, при которых будет возможен такой контроль позволит избежать слипания частей наноустройств.

Ученые из Гётеборгского университета под руководством Джованни Волпе (Giovanni Volpe) продемонстрировали контролируемую левитацию золотой пластинки над позолоченной стеклянной пластиной в растворе воды и 2,6-лутидина (C₇H₉N). Физики регулировали отталкивающую силу Казимира, меняя температуру раствора, а также управляли положением левитирующей пластинки, изменив структуру нижней пластины.

Ключом к контролю расстояния между частицами стали критические силы Казимира. Равновесие золотой пластинки в растворе поддерживалось равенством трех сил: электростатического отталкивания между пластинами, притягивающей силы Казимира — Лившица и отталкивающей критической силы Казимира. Только последняя пропорциональна температуре, поэтому ее величину можно регулировать с помощью термостата.

Критические силы Казимира, в отличие от сил Казимира — Лившица, возникают не из-за квантовых флуктуаций, а из-за тепловых флуктуаций частиц. Тепловые флуктуации приводят к флуктуации электромагнитных полей и соответственно появлению сил Казимира, которые могут отталкивать или притягивать поверхности. Эти силы становятся особенно заметны в средах, например, в двухкомпонентных жидкостях, находящихся вблизи критической точки. Чем ближе температура жидкости к критической, тем сильнее тепловые флуктуации, а значит, силы Казимира.

В эксперименте в качестве среды между пластинами ученые использовали смесь воды и 2,6-лутидина, критическая температура которой незначительно выше комнатной — 34 градуса Цельсия, поэтому жидкость удобно использовать в наноустройствах.

Чтобы критические силы Казимира были притягивающими, обе пластины должны быть либо одновременно гидрофобны или гидрофильны, иначе возникало отталкивание. Для создания таких условий физики использовали самособирающиеся слои органических молекул, которые формировали на золотых пластинах гидрофильный или гидрофобный слои.

В первой части работы ученые с помощью изменения температуры регулировали расстояние между пластинами. Если температура жидкости была меньше критической более, чем на полградуса Цельсия, равновесное расстояние между пластинами неизменно составляло около ста нанометров. При дальнейшем приближении к критической температуре, критические силы Казимира становились больше сил Казимира — Лившица. Когда критические силы были притягивающими — расстояние между пластинами уменьшалось почти на треть, а когда отталкивающими — увеличивалось вдвое. Эти результаты количественно согласовались с теорией.

Во второй части ученые продемонстрировали контролируемое перемещение левитирующей золотой пластинки. Для этого они нанесли на гидрофильное стекло гидрофобные золотые полоски и меняли периодически температуру. Пластинка была гидрофильна. Когда температура сильно отличалась от критической, пластинка удерживалась над золотой полоской силами Казимира — Лившица и свободно перемещалась только вдоль нее, когда температура приближалась к критической, критические силы Казимира отталкивали ее от полоски, и она начинала свободно двигаться по всей жидкости. Оказавшись над стеклом, пластинка наоборот начинала притягиваться к нему, и уже не могла двигаться в поперечных направлениях. И только когда температура снова уменьшалась, пластинка вновь притягивалась к золотой полоске. Таким образом, ученые показали способ отрыва двух золотых поверхностей друг от друга.

Ученые полагают, что технологию довольно просто адаптировать для микро- и наноэлектромеханических устройств для регулирования расстояний между деталями, чтобы предотвратить их слипание. Более того, температуру в таких устройствах можно контролировать с помощью освещения, что дает возможность динамически ими управлять.

Это не первый опыт управления мельчайшими объектами с помощью сил Казимира. Физики уже использовали их для перемещения наномембраны нитрида кремния, правда, те силы были положительными.