Nouvelles perspectives sur la fabrication de nanocanaux à l’aide d’impulsions laser femtoseconde

Les progrès récents dans la fabrication de nanostructures ont conduit à leur application dans plusieurs domaines, notamment la biomédecine, la chimie, l’ingénierie des matériaux et l’assainissement de l’environnement.

En particulier, les nanocanaux (nanostructures avec au moins une dimension physique inférieure à 100 nm) sont activement étudiés pour leur utilisation potentielle dans l’étirement de l’ADN, la nanofluidique et les membranes artificielles.

Par exemple, dans les méthodes traditionnelles de test d’ADN basées sur la réaction en chaîne par polymérase, un seul gène muté est facilement traité comme un bruit. À l’intérieur de nanocanaux d’un diamètre inférieur à 100 nm, la molécule d’ADN peut être étirée le long d’une ligne. En conséquence, il est possible d’étudier les paires de bases une par une le long d’un seul ADN, à travers lequel le gène muté unique peut être découvert avec précision.

La plupart des domaines d’application bénéficieraient de nanocanaux fabriqués sur des matériaux durs et cassants, tels que la silice, le diamant et le saphir, qui offrent une stabilité chimique et une durabilité élevées dans des environnements difficiles. Malheureusement, la fabrication de nanocanaux profonds sur de tels matériaux est un défi – jusqu’à présent, seuls les nanocanaux superficiels via des techniques lithographiques ont été largement et avec succès reproduits.

Une équipe de chercheurs de l’Université Xi’an Jiaotong, en Chine, se concentre sur une technologie prometteuse pour la fabrication de nanostructures : l’écriture directe par laser femtoseconde (FLDW). En termes simples, FLDW utilise des impulsions laser extrêmement courtes (10-15 s) et énergétiques avec une grande précision pour créer les nanostructures souhaitées (par exemple, des nanotrous, des nanopores et des nanofentes).

Dans leur dernière étude, publiée dans Nexus photonique avancél’équipe a utilisé avec succès FLDW pour créer des nanocanaux de silice d’un diamètre de 30 nm, plus petit que celui rapporté dans toute étude précédente, et un rapport d’aspect de plus de 200. Cela a été attribué à un nouveau phénomène d’interaction laser-matière qui a été découvert dans le processus .

Dans leur travail, l’équipe a utilisé un faisceau de Bessel, un faisceau laser qui conserve sa forme lorsqu’il se propage et même lorsqu’il est focalisé sur un petit point. Une seule impulsion de faisceau de Bessel d’une longueur d’onde de 515 nm (acquise à partir d’un laser de 1030 nm par doublage de fréquence) est focalisée juste à la bonne distance de la surface d’un échantillon de silice.

Quelques expériences avec différentes énergies d’impulsions laser et différentes distances d’échantillons ont montré des résultats très impressionnants. Sous une faible énergie d’impulsion, en fonction de la distance de l’échantillon, un nanocanal de taille 30 nm ou une structure de cratère pur a été découvert à proximité (moins de 1 μm) de la surface de la silice. Sous une énergie d’impulsion élevée, une cavité beaucoup plus longue formerait profondément à l’intérieur (5 μm en dessous) la majeure partie du matériau avec un cratère à la surface en même temps.

Après une analyse théorique et des simulations minutieuses, l’équipe s’est rendu compte qu’une interaction laser-matériau jusqu’alors inobservée était en jeu, que l’équipe appelle « l’éjection de matériau d’assistance de surface ». Dans ce processus, l’élimination du matériau superficiel ouvre une fenêtre pour l’expansion et l’éjection du matériau gazéifié plus profondément dans la masse, produisant des cavités dans le « domaine chaud » interne créé par le faisceau de Bessel.

Paulina Segovia-Olvera, rédactrice en chef adjointe de Nexus photonique avancénote que ce travail contribue fortement à l’avancement des connaissances dans le domaine du traitement des matériaux avec des lasers : « Ce travail fournit de nouvelles informations sur les principes fondamentaux de l’interaction laser avec la matière. Il démontre qu’il est possible de fabriquer des structures de nanocanaux avec des dimensions bien inférieures la limite de diffraction, qui fixe généralement la limite inférieure de la taille des caractéristiques de la nanostructure pour la fabrication traditionnelle à base de laser. »

Compte tenu de cette avancée des connaissances, cette étude peut ouvrir la voie à l’adoption de FLDW en tant que méthode robuste, flexible et rentable pour fabriquer des nanocanaux avec une précision submicrométrique. À son tour, cela peut aider à faire progresser son application dans d’autres domaines, tels que la science génomique, la catalyse et les capteurs.