DTU-forskere har lavet verdens mindste juleplade

Forskere ved DTU Fysik har fremstillet den mindste plade nogensinde, med en diameter på blot 40 mikrometer. Ved hjælp af en ny nano-skulpturmaskine - Nanofrazor – har forskerne skåret en single med de første 25 sekunder af juleklassikeren "Rocking Around the Christmas Tree". Nanofrazor kan indgravere 3D-mønstre i overflader med en opløsning på nanoskala, hvilket giver forskerne mulighed for at skabe nye nanostrukturer, der kan bane vejen for helt nye teknologier inden for områder som kvanteenheder, magnetiske sensorer og elektronoptik.

”Jeg har lavet nano-litografi – dvs. mønstre i nanomaterialer - i 30 år, og selvom vi har kendt til denne maskine et stykke tid, så føles det stadig som science fiction. Da jeg så en tro kopi af DTU’s grundlægger – Hans Christian Ørsted – i en størrelse på 8 gange 12 mikrometer blive skrevet på få minutter med en pixelstørrelse på 2.540.000 DPI, ja så vidste jeg at vi står på tærsklen af noget stort  For at få en idé om den skala, vi arbejder på, så svarer det til at skrive sin underskrift på et rødt blodlegeme, og stadig have plads til at skrive adresse, email og julehilsen,” siger professor Peter Bøggild fra DTU Fysik.

"Det mest radikale er, at vi i denne vanvittige opløsning kan skabe 3D-landskaber i materialer – noget der vil blive en sand game-changer for vores forskning". 

Nanoskala juleplade – i stereo

Nanofrazor-maskinen fungerer ikke som en printer, der tilføjer materiale; en bedre sammenligning er en CNC-maskine (computer numerical control), der præcist fjerner materiale og efterlader det ønskede mønster eller form tilbage. I tilfældet med miniaturebilledet af H.C. Ørsted, er billedet skabt ved fjernelse af polymer, linje-for-linje, indtil et perfekt billede i gråtoner fremkommer. Gråtonerne fremkommer ved at højden af polymeren kan varieres helt frit – og det giver muligheder. For Peter Bøggild, der ved siden af sin forskerkarriere er amatørmusiker og vinylentusiast, var ideen om at skære en plade i nanoskala et oplagt juleprojekt.

"Vi plejer at lave en julehilsen, så vi besluttede, at vi at forsøge at lave verdens mindste juleplade. Vi har taget et udsnit af Rockin’ Around The Christmas Tree og har skåret rillen, omtrent som man skærer en normal plade i en såkaldt ”master”. Men da vi arbejder på nanoskala, så kan denne plade ikke spilles på en almindelig pladespiller. Jeg skrev først et lille program der konverterede stereosignalet til en spiralformet rille på overfladen af mediet, som dog ikke er vinyl i dette tilfælde. Vi kodede endda musikken i stereo – de lodrette udsving man kan se på billedet svarer til den venstre kanal, mens dybden af rillen er den højre kanal. Den er nok for upraktisk og dyr til at blive en hitplade. For at læse rillen har du nemlig brug for et ret dyrt atomic force-mikroskop eller Nanofrazor, men i princippet kan man sagtens spille den."

Billige og hurtigt fremstillede nanostrukturer

Det er en stor bevilling fra NOVO Nordisk Fonden(BIOMAG), som gjorde Nanofrazor-drømmen mulig, og her handler det ikke om at klippe juleplader eller printe billeder af kendte personer. Peter Bøggild og hans kolleger, Tim Booth og Nolan Lassaline, har andre planer.

Lektor Tim Booth forklarer: 

"Det faktum, at vi nu præcist kan forme overfladerne med nanoskala-præcision med stort set fantasiens hastighed, er en game changer for os. Vi har mange ideer til, hvad vi skal gøre, og tror på, at denne maskine vil fremskynde prototyperne af nye strukturer markant. Vores hovedmål er at udvikle nye magnetiske sensorer til at detektere strømme i menneskers hjerner inden for BIOMAG-projektet. Alligevel ser vi også frem til at skabe præcise skulpturelle landskaber, som vi kan bruge til at kontrollere elektronbølger med. Der er meget arbejde at gøre."

Professor Peter Bøggild tilføjer:

”Vi arbejder med 2D-materialer, og når vi omhyggeligt lægger disse ultratynde materialer ned på et 3D-landskab, vi har skåret med nanofrazoren, så følger de overfladens konturer. Hvis man gør det med et almindeligt materiale, som for eksempel et metal, sker der ikke noget særligt. Med 2D materialer er det en helt anden historie. At kontrollere stress og kurvatur af disse atomtyndef film er en effektiv og helt ny måde at "programmere" dem til at gøre ting, som ingen ville have troet mulige for bare femten år siden. Tager vi grafen som eksempel, så vil det, når det er krummet på den helt rigtige måde, opføre sig, som om der er et kæmpe magnetfelt, selvom der faktisk ikke er noget. Og vi kan krumme grafen helt rigtigt med Nanofrazor.” siger Peter Bøggild.

Postdoc Nolan Lassaline (der klippede julepladen) modtog for nylig en VILLUM EXPERIMENT-bevilling på to mio. kr. til at skabe "kvantesæbebobler" i grafen. Han vil bruge bevillingen - og Nanofrazor - til at udforske nye måder at strukturere nanomaterialer på og udvikle nye metoder til at manipulere elektroner i atomtynde materialer.

”Kvantesæbebobler skabes ved at generere bløde elektroniske potentialelandskaber med en ganske bestemt form for uorden, som får elektronbølgerne til at splitte sig på en måde man ellers kender fra optik – og som man kan observere i sæbebobler. Vi håber at forstå, hvordan elektroner bevæger sig ind præcist designede, uordnede potentialer. Forskere tror at dette kan blive til en platform for avancerede neurale netværk og kvanteinformationsbehandling, og det vil vi gerne være med til at undersøge."

Nanofrazor-systemet er nu en del af DTU Fysik NANOMADEs unikke fremstillingsfacilitet for 2D-materialer og devices og en del af E-MAT, et større økosystem for luftfølsomme nanomaterialers behandling og fremstilling ledet af prof. Nini Pryds, DTU Energi.