Dankzij een beetje serendipiteit, onderzoekers van Rice University hebben een kleine coaxkabel gemaakt die ongeveer duizend keer kleiner is dan een mensenhaar en een hogere capaciteit heeft dan eerder gerapporteerde microcondensatoren.

De nanokabel, die deze week wordt beschreven in Natuurcommunicatie , werd geproduceerd met technieken die baanbrekend waren in het opkomende grafeenonderzoeksveld en zou kunnen worden gebruikt om energieopslagsystemen van de volgende generatie te bouwen. Het kan ook worden gebruikt bij het bedraden van componenten van lab-on-a-chip-processors, maar de ontdekking ervan is gedeeltelijk te danken aan het toeval.

"We hadden niet verwacht dat we dit zouden maken toen we begonnen, " zei studie co-auteur Jun Lou, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde bij Rice. "Aanvankelijk, we waren gewoon nieuwsgierig om te zien wat er elektrisch en mechanisch zou gebeuren als we kleine koperdraden, bekend als interconnects, zouden nemen en ze zouden bedekken met een dunne laag koolstof."

De kleine coaxkabel lijkt qua samenstelling opmerkelijk veel op degene die kabeltelevisiesignalen naar miljoenen huizen en kantoren transporteert. Het hart van de kabel is een massieve koperdraad die is omgeven door een dunne mantel van isolerend koperoxide. Een derde laag, een andere dirigent, omringt dat. In het geval van tv-kabels, de derde laag is weer koper, maar in de nanokabel is het een dunne laag koolstof van slechts enkele atomen dik. De coax nanokabel is ongeveer 100 nanometer, of 100 miljardsten van een meter, breed.

Hoewel de coaxkabel een steunpilaar is van breedbandtelecommunicatie, de drielaagse, metaal-isolator-metaalstructuur kan ook worden gebruikt om energieopslagapparaten te bouwen die condensatoren worden genoemd. In tegenstelling tot batterijen, die afhankelijk zijn van chemische reacties om zowel elektriciteit op te slaan als te leveren, condensatoren gebruiken elektrische velden. Een condensator bevat twee elektrische geleiders, de ene negatief en de andere positief, die worden gescheiden door een dunne laag isolatie. Het scheiden van de tegengesteld geladen geleiders creëert een elektrisch potentiaal, en die potentiaal neemt toe naarmate de gescheiden ladingen toenemen en naarmate de afstand tussen hen - ingenomen door de isolerende laag - afneemt. De verhouding tussen de ladingsdichtheid en de scheidingsafstand staat bekend als capaciteit, en het is de standaard maatstaf voor de efficiëntie van een condensator.

De studie meldt dat de capaciteit van de nanokabel minstens 10 keer groter is dan wat zou worden voorspeld met klassieke elektrostatica.

"De toename is hoogstwaarschijnlijk te wijten aan kwantumeffecten die ontstaan ​​​​door de kleine omvang van de kabel, " zei co-auteur Pulickel Ajayan van de studie, Rice's Benjamin M. en Mary Greenwood Anderson hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde.

De laboratoria van Lou's en Ajayan zijn elk gespecialiseerd in het fabriceren en bestuderen van materialen en nanodevices op nanoschaal die dit soort intrigerende kwantumeffecten vertonen. maar Ajayan en Lou zeiden dat er een kans was in de ontdekking van de nanokabel.

Toen het project 18 maanden geleden begon, Rice postdoctoraal onderzoeker Zheng Liu, de hoofdco-auteur van de studie, bedoeld om pure koperdraden te maken bedekt met koolstof. De technieken voor het maken van de draden, die slechts enkele nanometers breed zijn, zijn goed ingeburgerd omdat de draden vaak worden gebruikt als "interconnects" in de modernste elektronica. Liu gebruikte een techniek die bekend staat als chemische dampafzetting (CVD) om de draden te bedekken met een dunne laag koolstof. De CVD-techniek wordt ook gebruikt om platen van koolstof met één atoom dik, grafeen genaamd, op koperfilms te laten groeien.

"Als mensen grafeen maken, ze willen meestal het grafeen bestuderen en ze zijn niet erg geïnteresseerd in het koper, "Zei Lou. "Het heeft gewoon een platform gebruikt om het grafeen te maken."

Toen Liu wat elektronische tests uitvoerde op zijn eerste paar monsters, de resultaten waren verre van wat hij had verwacht.

"Uiteindelijk ontdekten we dat er een dunne laag koperoxide - die dient als een diëlektrische laag - zich vormde tussen het koper en de koolstof, " zei Liu.

Bij nadere bestudering van andere onderzoeken, het team ontdekte dat een paar andere wetenschappers melding hadden gemaakt van oxidatie op de kopersubstraten tijdens de productie van grafeen.

"Het is redelijk goed gedocumenteerd, maar we konden niemand vinden die een gedetailleerd onderzoek had gedaan naar de elektronische eigenschappen van zulke complexe interfaces, ' zei Ajayan.

De capaciteit van de nieuwe nanokabel is tot 143 microfarad per vierkante centimeter, beter dan de beste eerdere resultaten van microcondensatoren.

Lou zei dat het mogelijk zou kunnen zijn om een ​​grootschalig energieopslagapparaat te bouwen door miljoenen van de kleine nanokabels naast elkaar in grote arrays te plaatsen.

"De kabel op nanoschaal kan ook worden gebruikt als transmissielijn voor radiofrequentiesignalen op nanoschaal, "Zei Liu. "Dit zou nuttig kunnen zijn als een fundamentele bouwsteen in elektromechanische systemen van micro- en nanoformaat, zoals lab-on-a-chip-apparaten."