(PhysOrg.com) -- Voor Hollywood-beroemdheden, de term 'splitsville' betekent meestal 'controleer uw huwelijkscontract'. Voor wetenschappers die nanoribbons van hoge kwaliteit in massa willen produceren uit boornitride-nanobuisjes, 'splitsville' kan 'nog lang en gelukkig' betekenen.

Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en de University of California (UC) Berkeley, werken met wetenschappers van Rice University, hebben een techniek ontwikkeld waarbij boornitride-nanobuisjes worden gevuld met kaliumatomen totdat de buisjes langs een langsnaad openbarsten. Hierdoor ontstaan ​​foutloze boornitride-nanoribbons van uniforme lengte en dikte. Boornitride nanoribbons zullen naar verwachting een verscheidenheid aan intrigerende magnetische en elektronische eigenschappen vertonen die een enorm potentieel hebben voor toekomstige apparaten.

Nanoribbons zijn tweedimensionale eenkristallen (wat betekent dat slechts een enkel atoom dik is) die meerdere microns lang kunnen meten, maar slechts een paar honderd of minder nanometer breed. Grafeen nanolinten, die zijn gemaakt van pure koolstof, elektronen met veel hogere snelheden vervoeren dan silicium, en kan worden gebruikt om grote gebieden en een breed assortiment aan vormen te bedekken. Boornitride nanoribbons bieden vergelijkbare voordelen plus een extra reeks elektronische, optische en magnetische eigenschappen.

"Er is een aanzienlijke hoeveelheid theoretisch werk verricht waaruit blijkt dat, afhankelijk van de lintranden, boornitride nanoribbons kunnen ferromagnetisme of anti-ferromagnetisme vertonen, evenals spin-gepolariseerd transport dat metallisch of halfgeleidend is, " zegt natuurkundige Alex Zettl, een van 's werelds meest vooraanstaande onderzoekers op het gebied van systemen en apparaten op nanoschaal, die samenwerkt met Berkeley Lab's Materials Sciences Division (MSD) en de Physics Department van UC Berkeley, waar hij directeur is van het Center of Integrated Nanomechanical Systems (COINS).

"De unieke eigenschappen van boornitride-nanolinten zijn van groot fundamenteel wetenschappelijk belang en hebben ook implicaties voor toepassingen in technologieën zoals spintronica en opto-elektronica, "zegt Zettl. "Echter, de gemakkelijke, schaalbare synthese van hoogwaardige boornitride-nanoribbons was een grote uitdaging."

Zettl en leden van zijn onderzoeksgroep gingen deze uitdaging aan met behulp van het chemische proces dat bekend staat als "intercalatie, " waarbij atomen of moleculen van het ene type worden ingevoegd tussen atomen en moleculen van een ander type. James Tour van Rice University en zijn onderzoeksgroep hadden aangetoond dat de intercalatie van kaliumatomen in koolstofnanobuisjes een longitudinale splitsing van de buizen bevordert. Dit bracht Zettl en Tour om samen te werken aan een onderzoek dat dezelfde benadering gebruikte voor nanobuisjes van boornitride, die qua structuur sterk lijken op nanobuisjes gemaakt van koolstof.

Zettl en Tour rapporteerden de resultaten van deze studie in het tijdschrift Nano-letters . Het artikel was getiteld "Longitudinal Splitting of Boron Nitride Nanotubes for the Facile Synthesis of High Quality Boron Nitride Nanoribbons." Co-auteur van het artikel waren Kris Erickson, Ashley Gibb, Michael Rousseas en Nasim Alem, die allemaal lid zijn van Zettl's onderzoeksgroep, en Alexander Sinitskii, een lid van de onderzoeksgroep van Tour.

"Het waarschijnlijke mechanisme voor de splitsing van zowel koolstof- als boornitride-nanobuizen is dat kaliumeilanden groeien vanaf een eerste startpunt van intercalatie, " Zegt Zettl. "Deze eilandgroei gaat door totdat voldoende omtreksbelasting resulteert in een breuk van de chemische bindingen van de geïntercaleerde nanobuis. Het kalium begint dan te hechten aan de kale lintrand, verdere splitsing veroorzaken."

Deze synthesetechniek levert boornitride-nanoribbons op met uniforme breedtes die zo smal kunnen zijn als 20 nanometer. De linten zijn ook minimaal één micron lang, met minimale defecten in het vlak of langs de randen. Zettl zegt dat de hoge kwaliteit van de randen erop wijst dat het splitsingsproces ordelijk is in plaats van willekeurig. Deze ordelijkheid zou kunnen verklaren waarom een ​​groot deel van de boornitride-nanolinten de felbegeerde zigzag- of fauteuilvormige randen vertonen, in plaats van andere randoriëntaties.

Randen zijn kritische determinanten van de eigenschappen van een nanolint, omdat de elektronen langs de rand van een lintrand kunnen interageren met de elektronen langs de rand van een ander lint, resulterend in het type energiekloof dat cruciaal is voor het maken van apparaten. Bijvoorbeeld, Van zigzaggende randen in grafeen nanoribbons is aangetoond dat ze een magnetische stroom kunnen dragen, waardoor ze kandidaat zijn voor spintronica, de computertechnologie gebaseerd op de spin in plaats van de lading van elektronen.

Kris Erikson, wie was de hoofdauteur van de Nano-letters papier, zegt dat, "Gezien de aanzienlijke afhankelijkheid van boornitride nanoribbon randen voor het doordringen van bepaalde elektronische en magnetische eigenschappen, de grote kans op het synthetiseren van linten met zigzag- en fauteuilranden maakt onze techniek bijzonder geschikt om theoretische voorspellingen aan te pakken en voorgestelde toepassingen te realiseren."

Erickson zegt ook dat het mogelijk moet zijn om de randen van de boornitride nanoribbons te functionaliseren, aangezien deze randen eindigen met chemisch reactieve kaliumatomen na synthese en met reactieve waterstofatomen na blootstelling aan water of ethanol.

"De rand met kaliumuiteinde kan gemakkelijk worden vervangen door een andere soort dan waterstof, Erickson zegt. "Verschillende chemicaliën kunnen worden gebruikt voor het afschrikken om andere afsluitingen te geven, en, verder, waterstof kan na afschrikken worden vervangen door ofwel gebruik te maken van gevestigde boornitride-functionalisatieroutes, of door nieuwe routes te bedenken die uniek zijn voor de zeer reactieve rand van nanoribbon."

Zettl en zijn onderzoeksgroep onderzoeken nu alternatieve syntheses met behulp van verschillende boornitride-nanobuis-precursoren om de opbrengsten te verhogen en het zuiveringsproces te verbeteren. Ze proberen ook de randen van hun nanoribbons te functionaliseren en ze zijn bezig te bepalen of de verschillende voorspelde randtoestanden voor deze nanoribbons kunnen worden bestudeerd.

"Wat we nu het meest nodig hebben, is een betere bron van boornitride-nanobuisjes, ' zegt Zettl.