Doktoranci i studenci z Katedry Nanometrologii PWr konstruują mikrodźwignię z ostrzem diamentowymi. Posłuży ona m.in. do badań powierzchni na poziomie atomowym. 

Projekt realizują członkowie Stowarzyszenia Entuzjastów Nanotechnologii SPENT, działającego przy Wydziale Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów. Finansują go w ramach ministerialnego programu „Studenckie koła naukowe tworzą innowacje”.

– Specjalizujemy się w nanometrologii, czyli pomiarach bardzo małych obiektów, niewidocznych gołym okiem. Wykorzystujemy do tego m.in. skaningowy mikroskop elektronowy i mikroskop sił atomowych – mówi Bartosz Pruchnik, doktorant na W12. Dodaje, że interesuje ich nie tylko topografia badanej powierzchni, ale też temperatura i jej właściwości elektromechaniczne.

Dźwignia do zadań specjalnych

Młodzi naukowcy opracowują system do pomiarów, w którym jednym z elementów jest mikroskopijnych rozmiarów dźwignia. – To struktura ciągła, która może być zginana, rozciągana czy skręcana. Jej zasada działania jest stosunkowo prosta, więc jeśli ją np. zegniemy, to jesteśmy w stanie określić dokładnie siły, jakim jest poddawana. Dzięki obecnej technologii możemy taką dźwignię zminimalizować do rozmiarów poniżej mikrometra – wyjaśnia doktorant z PWr. 

Zaprojektowana mikrodźwignia ma długość ok. 200 mikrometrów, szerokość 50, a grubość ok. 0,5 mikrometra i wyposażona jest w ostrze diamentowe. Naukowcy zdecydowali się na zastosowanie diamentu, bo takie rozwiązanie zapewnia przede wszystkim trwałość „narzędzia” i bardziej precyzyjne pomiary.

– Przyświecała nam idea, aby wykorzystać w mikrodźwigni nie końcówkę krzemową, która jest powszechnie używana, ale szybko się „ściera”, lecz właśnie diamentową, która jest twardsza – tłumaczy Ewelina Gacka, doktorantka ze SPENT-u, specjalizująca się w pomiarach z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu elektronowego. – Mówimy tu oczywiście o pojedynczej drobinie diamentu, którą poddajemy obróbce i osadzamy na wybranej mikrodźwigni, a cały proces odbywa się w komorze próżniowej skaningowego mikroskopu elektronowego ze zogniskowaną wiązką jonów – dodaje doktorantka. 

Tylko jedna drobinka

Naukowcy podkreślają, że innowacyjność ich rozwiązania polega na wykorzystaniu diamentów monokrystalicznych, które są domieszkowane. Przy ich pomocy można dokonywać także pomiarów elektrycznych. 

Bartosz Pruchnik: – Mamy już dostępne na rynku „komercyjne” mikrodźwignie diamentowe. Kryształki diamentu osadzone są jednak w postaci warstwy. Powoduje to, że przy pomiarze nie zawsze możemy określić, który kryształ dotyka powierzchni. Nie wiemy wówczas, gdzie dochodzi do kontaktu i badanie nie jest powtarzalne.

Ostrze zaprojektowane przez członków SPENT-u ma tylko jeden kryształ, co oznacza, że prąd przechodzi w jednym, konkretnym miejscu. Dlatego pomiar jest precyzyjniejszy. 

– W ramach naszego projektu będziemy osadzać diament na MEMS-ach, czyli na systemach mikroelektormechanicznych. Dzięki temu urządzenie będzie mogło pełnić więcej funkcji, nie tylko pomiarowych – wyjaśnia Ewelina Gacka.

– Myślimy więc nie tylko o badaniu właściwości danego materiału, ale także o wykonywaniu pewnych czynności za pomocą mikrodźwigni, jak na przykład zastosowanie jej do nanolitografii czy nanoscratchingu – dodaje doktorantka. Wyjaśni, że chodzi o wejście w interakcje z powierzchnią, czyli usuwanie w skali nanometrowej z powierzchni pojedynczych atomów. 

Małe i wytrzymałe

– Dzięki diamentowej końcówce ostrze, które ma zaledwie 15 mikrometrów, potrafił przebyć drogę 13 metrów i się nie zużyć – podkreśla Bartosz Pruchnik. – Żeby pojąć skalę tego zjawiska, to wyobraźmy sobie np. kredę długości 5 cm, czyli 3 tysiące razy dłuższą od naszej mikrobelki. I taką kredą bylibyśmy w stanie narysować linię długości czterdziestu kilometrów, a ona by i tak się nie starła.

Przy projekcie naukowcy z PWr współpracują z badaczami z Uniwersytetu Technicznego w Ilmenau (Niemcy), Politechniki Gdańskiej oraz Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki w Warszawie. 

Naukowcy planują publikacje wyników badań w czasopismach branżowych i prezentacje podczas konferencji poświęconych nanometrologii.

SPENT czeka na nowych entuzjastów

– Przy okazji zachęcamy, żeby zgłaszali się do nas nowi studenci o różnych zainteresowaniach naukowych, bo projekt jest w gruncie rzeczy dosyć interdyscyplinarny – przekonują doktoranci działający w stowarzyszeniu SPENT. 

Czekają na elektroników, którzy będą projektowali podukłady do mikroskopu sił atomowych, programistów do napisania programów np. do przetwarzania danych otrzymanych z mikroskopu, ale też chemików i fizyków, którzy dostarczą wiedzy o właściwościach danych materiałów czy ich zastosowaniach np. organicznych. 

– Przydadzą nam się także mechanicy, którzy wspomogą nas w rozbudowie osprzętu. Jesteśmy przekonani, że nawet biolodzy by się u nas odnaleźli, bo nasz mikroskop może służyć też do badania np. właściwości tkanek, a nawet wykonywania określonych zadań np. jako skalpel do cięcia fragmentów komórek – zapewniają doktoranci.

Od strony naukowej członków Stowarzyszenia Entuzjastów Nanotechnologii SPENT wspiera prof. Teodor Gotszalk, kierownik Katedry Nanometrologii na W12 oraz dr hab. Andrzej Sikora, prof. uczelni, specjalista z zakresu pomiarów w nanoskali i konstruowaniu aparatury pomiarowej. 

Więcej informacji o działalności stowarzyszenia na stronie internetowej Katedry Nanometrologii oraz na YouTube.

Iwona Szajner