Patronen bouwen met moleculen
Het maken van steeds kleinere structuren in materialen met behulp van conventionele lithografische technieken begint zijn grenzen te naderen. Daarom wordt allerwegen gezocht naar andere materialen en methoden. Zo zijn polymeren vanwege hun grootte en neiging tot ordening geschikt om structuren met afmetingen ver onder de micrometer te maken. In een publicatie in het vakblad Advanced Materials van 18 juli aanstaande laten Daniel Sentenac en Wim de Jeu van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam en Boris Ostrovskii van het Instituut voor Kristallografie van de Russische Academie van Wetenschappen in Moskou zien hoe het zelforganiserend vermogen van een vloeibaar-kristallijn polyacrylaat een regelmatig ribbelpatroon produceert van ribbels met afmetingen van miljoensten van een millimeter.
Polymeren, langgerekte ketens van koolwaterstofverbindingen, zijn dankbare moleculen om structuren mee te bouwen. Ze laten zich bijvoorbeeld onder geschikte omstandigheden door elektrische velden goed richten en hun eigenschappen kunnen met licht worden bewerkt. Een interessant geval ontstaat wanneer vloeibare kristallijne moleculen - die van nature evenwijdig aan elkaar willen gaan staan - dwars aan een klassieke polymeerketen gehecht worden. De vloeibare kristallen die parallel willen ordenen gaan dan wedijveren met de polymeerketens die zich op willen rollen. Wie wint hangt af van de precieze afmetingen van de concurrerende moleculaire delen. De uitslag kan worden beïnvloed door een dunne laag (een film) op een ondergrond te vormen. In het algemeen zal dan als compromis een bepaalde uniforme situatie ontstaan.
Ribbels op dunne laag
Sentenac, De Jeu en Ostrovskii laten nu het bijzondere geval zien dat zich aan het oppervlak van zo'n dunne laag (in dit geval een polyacrylaat) een regelmatige structuur van ribbels vormt (zie figuur 1), ondanks het feit dat de ondergrond structuurloos is. De gemiddelde afstand tussen de ribbeltoppen is ongeveer 9 nanometer (9-miljardste van een meter of 0,09 micrometer); de hoogte van de ribbels is ongeveer 0,4 - 0,5 nanometer.
De onderzoekers hebben met behulp van röntgenstraling de opbouw van zo'n dunne laag (20-90 nanometer dik) bepaald en met een atomaire-krachtmicroscoop de structuur van het oppervlak afgebeeld. Uit analyse van deze gegevens lijkt het ribbelpatroon aan het oppervlak het resultaat te zijn van twee met elkaar wedijverende structuren van de vloeibaar-kristallijne zijketens van het polymeer. Deze hebben vrijwel dezelfde vrije energie en zijn daarom beide stabiel. Ze nemen alleen verschillende hoeveelheden ruimte in (zie figuur 2). Berekeningen aan deze stabiele oriëntaties voorspellen een regelmatige afwisseling van de 'pakking' van de vloeibare kristallen met een golflengte tussen 10 en 100 nanometer. De waargenomen 9 nanometer valt samen met de ondergrens. De hoogteverschillen bedragen ongeveer 0,4 à 0,5 nanometer, het halve verschil in de lengtes van de twee structuren. De oppervlaktespanning van het materiaal zorgt dan voor de ribbelvorm.
Een vraag is of de verschillende soorten structuren van de vloeibaar-kristallijne zijketens een eigenschap van het materiaal zijn of afhankelijk van de toestand van het materiaal. Bij hogere temperaturen richten de vloeibare kristallen zich mooi evenwijdig, terwijl ze bij lagere temperaturen ook nog over lange afstanden in een regelmatig patroon gaan staan. Daarom hebben de onderzoekers dunne lagen bekeken die bij verschillende temperaturen zijn gemaakt. De structuren in de laag verschillen inderdaad, maar aan het oppervlak zijn ze hetzelfde. Het ribbelpatroon is dus een materiaaleigenschap. Er is daarom, schrijven de onderzoekers, een eenvoudige en effectieve manier ontdekt om op een homogeen oppervlak regelmatige, evenwijdige structuren te maken. Waarom chemisch net deze twee concurrerende structuren beide stabiel zijn, is nog niet goed bekend. Verder zal het de kunst worden de regelmaat in de structuren ook over grotere oppervlakken op te wekken.
Meer informatie bij prof.dr. Wim de Jeu, AMOLF, tel. (020) 608 12 34, e-mail dejeu@amolf.nl.