Casimir vs Casimir – klaschande krafter kan förbättra nanotekniken
Stiktion är ett välkänt problem inom mikro- och nanoteknik. Friktion mellan små komponenter och ytor hindrar rörelse och orsakar krångel i utvecklingen av ny teknik. Nya resultat som presenterats i tidskriften Nature Physics kan ta fältet förbi detta hinder och flytta forskningsfronten framåt.
I takt med tekniska framsteg på mikro- och nanoskalan tenderar saker och ting att bli besvärliga. Nanoskopiska enheter tillverkas av metaller som exempelvis guld, eftersom materialet har gynnsamma egenskaper som hög stabilitet, biokompatibilitet och är lätt att bearbeta. Men eftersom det rör sig om teknik på en såpass liten skala så kärvar ofta de rörliga delarna på grund av så kallade kvantelektrodynamiska Casimirkrafter.
Dessa krafter, kända som vakuumkvantfluktuationer, trycker komponenter i mikroenheter mot varandra och orsakar friktion och stiktion. Friktion och stiktion hindrar enheterna från att fungera som de ska.
– I det här projektet visar vi att det går att använda en annan typ av fluktuationsinducerad kraft, nämligen kritiska Casimirkrafter, för att motverka den friktion som orsakas av kvantelektrodynamiska Casimir-Lifshitz-krafter. Detta åstadkoms genom att använda en vätskeblandning som skapar repulsion mellan de samverkande ytorna och som därmed stöter ifrån sig de små metallobjekten, säger Giovanni Volpe, professor i fysik vid Göteborgs universitet.
Trimma med hjälp av temperatur
Genom ytmodifiering skapas en miljö där de två Casimirkrafterna – kritiska fluktuationer och kvantelektrodynamiska fluktuationer – simultant påverkar de mikroskopiska guldflagorna genom att motverka varandra. Effekten av att de två krafterna krockar hjälper guldflagorna att röra sig fritt och inte fastna mot någon av ytorna. Det går till och med att styra flagornas rörelser genom att variera temperaturen på vätskeblandningen.
– Eftersom de kritiska Casimir-krafterna kan styras med hjälp av temperaturen är det enkelt att aktivera och deaktivera dem. Detta har potential att bli ett nytt sätt att styra nano-enheter på – ett som inte har utforskats tidigare, säger Giovanni Volpe.
Projektet har skett i samarbete med forskare i flera länder – både teoretiker och experimentalister.
– Som teoretisk fysiker som samarbetar med experimentalister är det alltid imponerande att se hur utmanande det kan vara att tolka experimentella data, och hur grundläggande begrepp och idéer inom statistisk fysik så småningom ger oss nyckeln till att förstå världen i så liten skala, säger Andrea Gambassi, professor i teoretisk fysik vid SISSA, Italien.
Minimala delar i smartphone-kameror
De effekter som forskarna nu påvisat var teoretiskt förväntade men har aldrig tidigare observerats eller uppmätts experimentellt. Demonstrationen i sig är ett koncepttest, ett så kallat proof of concept – det vill säga inte avsett att tillämpas i någon faktisk apparat. Genombrottet har dock potential att bana väg för avgörande landvinningar inom mikro- och nanoteknik.
– Att eliminera friktion i nanoenheter skulle öka enheternas livslängd, göra dem mindre till storleken och mer mångsidiga. Elektromekaniska anordningar på nano- och mikroskalan förekommer redan i många apparater som vi använder i vardagen. Exempelvis kan nämnas små komponenter som linser, spolar och magneter i smartphone-kameror. Nuvarande mikro- och nanoelektromekaniska enheter skulle kunna dra nytta av de tekniska förbättringar som vi demonstrerar genom vårt arbete. Men sådan praktisk tillämpning ligger ännu en bit in i framtiden, säger Giovanni Volpe.
Resultat i Nature Physics
Forskningsresultaten presenteras i en artikel i den prestigefulla vetenskapliga tidskriften Nature Physics.
Läs hela artikeln här
Forskningsprojektet är ett samarbete mellan Göteborgs universitet, Chalmers, Düsseldorfs universitet, Friedrich Schiller Universität och SISSA (Trieste, Italien).
Försteförfattare är Falko Schmidt, tidigare doktorand vid Göteborgs universitet och för närvarande postdoktor vid Friedrich Schiller Universität (FSU).