Elektronica wordt steeds kleiner, flirten met nieuwe apparaten op atomaire schaal. Echter, veel wetenschappers voorspellen dat het krimpen van onze technologie ten einde loopt. Zonder een alternatief voor op silicium gebaseerde technologieën, de miniaturisering van onze elektronica stopt. Een veelbelovend alternatief is grafeen - het dunste materiaal dat de mens kent. Zuiver grafeen is geen halfgeleider, maar het kan worden gewijzigd om uitzonderlijk elektrisch gedrag te vertonen. Het vinden van de beste op grafeen gebaseerde nanomaterialen kan een nieuw tijdperk van nano-elektronica inluiden, optiek, en spintronica (een opkomende technologie die de spin van elektronen gebruikt om informatie op te slaan en te verwerken in uitzonderlijk kleine elektronica).

Wetenschappers van het Rensselaer Polytechnic Institute hebben gebruik gemaakt van de mogelijkheden van een van 's werelds krachtigste universitaire supercomputers, het Rensselaer Centrum voor Nanotechnologische Innovaties (CCNI), om de eigenschappen van een veelbelovende vorm van grafeen te ontdekken, bekend als grafeen nanoiggles. Wat ze ontdekten, was dat grafitische nanoribbons kunnen worden gesegmenteerd in verschillende oppervlaktestructuren, nanowiggles genaamd. Elk van deze structuren produceert zeer verschillende magnetische en geleidende eigenschappen. De bevindingen bieden een blauwdruk die wetenschappers kunnen gebruiken om letterlijk een grafeen-nanostructuur te kiezen en te kiezen die is afgestemd en aangepast voor een andere taak of ander apparaat. Het werk levert een belangrijke kennisbasis op over deze zeer bruikbare nanomaterialen.

De bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven in een paper getiteld "Emergence of Atypical Properties in Assembled Graphene Nanoribbons."

"Grafeen nanomaterialen hebben veel mooie eigenschappen, maar tot op heden was het erg moeilijk om defectvrije grafeennanostructuren te bouwen. Dus deze moeilijk te reproduceren nanostructuren creëerden een bijna onoverkomelijke barrière tussen innovatie en de markt, zei Vincent Meunier, de Gail en Jeffrey L. Kodosky '70 Constellation Professor of Physics, Informatie Technologie, en Ondernemerschap bij Rensselaer. "Het voordeel van grafeen-nanowaggels is dat ze gemakkelijk en snel heel lang en schoon kunnen worden geproduceerd." Nanowiggles zijn pas onlangs ontdekt door een groep onder leiding van wetenschappers van EMPA, Zwitserland. Deze specifieke nanolinten worden gevormd met behulp van een bottom-upbenadering, omdat ze atoom voor atoom chemisch zijn samengesteld. Dit vertegenwoordigt een heel andere benadering van het standaard ontwerpproces voor grafeenmateriaal dat een bestaand materiaal gebruikt en probeert het in een nieuwe structuur te snijden. Het proces creëert vaak een materiaal dat niet perfect recht is, maar heeft kleine zigzaglijnen aan de randen.

Meunier en zijn onderzoeksteam zagen de potentie van dit nieuwe materiaal. De nanowaggels kunnen gemakkelijk worden vervaardigd en aangepast om uitzonderlijke elektrisch geleidende eigenschappen te vertonen. Meunier en zijn team gingen meteen aan de slag om de nano-gletsjers te ontleden om mogelijke toekomstige toepassingen beter te begrijpen.

"Wat we vonden in onze analyse van de eigenschappen van de nanoiggles was nog verrassender dan eerder werd gedacht, ' zei Meunier.

De wetenschappers gebruikten computationele analyse om verschillende nanowiggle-structuren te bestuderen. De structuren worden genoemd op basis van de vorm van hun randen en omvatten een fauteuil, fauteuil/zigzag, zigzag, en zigzag/fauteuil. Alle nanoribbon-randstructuren hebben een kronkelig uiterlijk als een rups die over een blad kruipt. Meunier noemde de vier structuren nanowiggles en elke wiebeling produceerde uitzonderlijk verschillende eigenschappen.

Ze ontdekten dat de verschillende nano-gletsjers zeer gevarieerde band gaps produceerden. Een band gap bepaalt de niveaus van elektrische geleidbaarheid van een vast materiaal. Ze ontdekten ook dat verschillende nano-achtigen tot vijf zeer uiteenlopende magnetische eigenschappen vertoonden. Met deze kennis, wetenschappers zullen in staat zijn om de bandgap en magnetische eigenschappen van een nanostructuur af te stemmen op basis van hun toepassing, volgens Meunier.

Meunier wil dat het onderzoek het ontwerp van nieuwe en betere apparaten informeert. "We hebben een routekaart gemaakt waarmee nanomaterialen eenvoudig kunnen worden gebouwd en aangepast voor toepassingen van fotovoltaïsche energie tot halfgeleiders en, belangrijk, spintronica, " hij zei.

Door gebruik te maken van CCNI, Meunier was in staat om deze geavanceerde berekeningen in een paar maanden te voltooien.

"Zonder CCNI, deze berekeningen zouden een jaar later nog steeds doorgaan en zouden we deze opwindende ontdekking nog niet hebben gedaan. Dit onderzoek is duidelijk een uitstekend voorbeeld dat de sleutelrol van CCNI in voorspellende fundamentele wetenschap illustreert, " hij zei.