Гидродинамическое измерение высоты чешуек над подложкой.
а, Изображение сканирующей электронной микроскопии золотых чешуек различных размеров и форм. Масштабная линейка соответствует 5 мкм.
б, микроскопическое изображение и траектория (синий), зарегистрированные в течение 100 с диффундирующей чешуйки в форме равностороннего шестиугольника со стороной a = 840 нм (вставка) в критической смеси вода-2,6-лутидин при Δ T = -0,5 K.
c, экспериментальные данные (синие кружки) и теоретическая аппроксимация (оранжевая линия) среднеквадратичного смещения (MSD) траектории чешуи в b, которая дает оценку константы диффузии D = 0,067 мкм 2 с −1 по сравнению с D ≈ 5,98 мкм 2 с -1 для свободной диффузии (черная линия) sd экспериментальных точек намного меньше символов.
d, Теоретическая диффузия D гексагональной чешуи со стороной a = 840 нм в зависимости от ее высоты h над поверхностью, полученная в результате гидродинамического моделирования. Экспериментально измеренное значение D = 0,067 мкм 2 с - 1 соответствует высоте h = 100 нм.
Авторы и права: Физика природы (2022 г.). DOI: 10.1038/s41567-022-01795-6

Компоненты разделяются в критической точке раствора

«Мы искали решение, позволяющее устранить нежелательное статическое трение отдельных компонентов наноэлектромеханической системы (НЭМС), трущихся друг о друга», — объясняет доктор Фалько Шмидт из Института прикладной физики Йенского университета. Это статическое трение называется трением (сочетание терминов статика и трение), вызванным так называемыми квантово-электродинамическими силами Казимира.

Эти силы являются результатом колебаний и неизбежно вызывают слипание компонентов. Исследователи разработали способ обратить этот эффект вспять, погружая компоненты в критический раствор — смесь воды и масла, — в котором также происходят колебания. Силу этих колебаний можно точно контролировать, изменяя температуру.

«Особенность здесь в том, что мы не подавляем первоначальные колебания, а заменяем их другими, гораздо более сильными», — говорит Фалько Шмидт. Желаемый эффект был достигнут в эксперименте с помощью обогреваемого объектива микроскопа.

Исследователям удалось удержать золотую наночешуйку над структурированной металлической подложкой. Обычно золотые чешуйки прилипают к подложке.

Когда окружающая жидкость приближается к критической точке — температурному диапазону, в котором вода и масло сегрегируются, — колебания становятся настолько сильными, что трения удается избежать. Исследовательская группа пришла к выводу, что это может быть настолько эффективно, что связанные компоненты можно будет разделить и снова сделать подвижными.

Долгий путь к решению очевидной проблемы

Доктор Фалько Шмидт проводил эксперименты еще в Гетеборгском университете, где он также разработал новые экспериментальные методы, которые в конечном итоге привели к успеху. «Мы быстро придумали идею для этого проекта, так как эта проблема была очевидна из нанопроизводства», — говорит Шмидт. Однако путь к решению был долгим. В конечном итоге возобладал подход, основанный на доминировании критического эффекта Казимира над квантово-электродинамическим эффектом Казимира.

Цель состоит в том, чтобы применить идею освобождения микро- и наноэлектромеханических систем от блокировок из-за механического трения в будущем, что позволит в дальнейшем разрабатывать новые эффективные функционально-ориентированные нанокомпоненты.