(PhysOrg.com) -- Wetenschappers hebben er geen probleem mee om een ​​menagerie van nanometergrote objecten te maken -- draden, buizen, riemen, en zelfs boomachtige structuren. Wat ze soms niet hebben kunnen doen, is precies uitleggen hoe die objecten zich vormen in de damp- en vloeistofketels waarin ze zijn gemaakt.

Nu, een team onder leiding van de scheikundige Song Jin van de Universiteit van Wisconsin-Madison, schrijven deze week (23 april, 2010) in het tijdschrift Wetenschap , toont aan dat een eenvoudig kristaldefect, bekend als een "schroefdislocatie", de groei van holle zinkoxide-nanobuisjes van slechts enkele miljoenste centimeters stimuleert.

De bevinding is belangrijk omdat het nieuw inzicht geeft in de processen die leiden tot de vorming van de kleinste vervaardigde structuren, een belangrijke uitdaging in nanowetenschap en nanotechnologie. "We denken dat dit werk een algemeen theoretisch kader biedt voor het beheersen van de groei van nanodraad of nanobuisjes zonder gebruik te maken van metaalkatalysatoren die algemeen toepasbaar zijn op veel materialen, " zegt Jin, een UW-Madison hoogleraar scheikunde.

Dergelijke materialen en de lilliputter-structuren die wetenschappers maken, hebben al brede toepassingen gevonden in zaken als elektronica, zonne-energie, batterij- en lasertechnologie, en chemische en biologische detectie. Door de theorie van de vorming van kleine structuren verder uit te breiden, het zou nu mogelijk moeten zijn voor wetenschappers om nieuwe methoden te ontwikkelen om nano-objecten in massa te produceren met behulp van een verscheidenheid aan verschillende materialen.

De door Jin en zijn collega's beschreven methode hangt af van wat wetenschappers een schroefdislocatie noemen. Dislocaties zijn fundamenteel voor de groei en eigenschappen van alle kristallijne materialen. Zoals hun naam al aangeeft, deze defecten leiden tot het ontstaan ​​van spiraalvormige stappen op een verder onberispelijk kristalvlak. Terwijl atomen neerstrijken op het kristaloppervlak, ze vormen een structuur die qua uiterlijk opvallend lijkt op de spiraalvormige hellingen van parkeergarages met meerdere verdiepingen. In eerder werk, Jin en zijn onderzoeksgroep toonden aan dat schroefdislocaties de groei aansturen van eendimensionale nanodraadstructuren die eruitzagen als minuscule dennenbomen. Dat, zegt Jin, was een cruciale aanwijzing voor het begrijpen van de kinetiek van spontane nanobuisgroei.

De sleutel om te begrijpen hoe het defect kan worden gebruikt om nanostructuren op een rationele manier te maken, Jin legt uit, is weten dat als atomen zich verzamelen op een oppervlak van een dislocatiespiraal, spanning geassocieerd met schroefdislocaties bouwt zich op in de kleine structuren die ze creëren.

Het blijkt dat "het hol maken van de structuur en het draaien ervan twee goede manieren zijn om dergelijke spanning en spanning te verlichten, " legt Jin uit. "In sommige gevallen, de grote vervormingsenergie van de schroefdislocatie in het nanomateriaal dicteert dat het materiaal zijn centrum rond de dislocatie uitholt, wat resulteert in de spontane vorming van nanobuisjes."

Het fenomeen dat wordt beschreven in het nieuwe werk van Wisconsin verschilt in belangrijke opzichten van traditionele mechanismen voor het maken van holle nanostructuren. Wetenschappers gebruiken nu sjablonen om nanobuisjes te "vormen" of, alternatief, een diffusieproces om het ene materiaal in het andere om te zetten met een holle kern. Er worden koolstofnanobuisjes gemaakt, eigenlijk, door een enkele laag koolstofatomen met een honingraatpatroon op te rollen.

De verschijnselen beschreven door het Wisconsin-team, Jin voegt toe, zou moeten gelden voor materialen die verder gaan dan zinkoxide:"Het begrip van de vorming van nanobuisjes zal ons zeker helpen om verwante verschijnselen in andere materialen te begrijpen."

Verfijnd, de nieuwe kennis zou uiteindelijk op grote schaal kunnen worden toegepast, goedkope productie van nanomaterialen voor een breed scala aan toepassingen. Meest belovend, zegt Jin, is het gebied van hernieuwbare energie waar grote hoeveelheden van dergelijke materialen kunnen worden ingezet om zonlicht om te zetten in elektriciteit, en nieuwe grondstoffen leveren voor batterij-elektroden en thermo-elektrische apparaten.