Nanodraden en nanobuisjes, slanke structuren die slechts een paar miljardste van een meter in diameter zijn, maar vele duizenden of miljoenen keren langer, zijn de laatste jaren hete materialen geworden. Ze bestaan ​​in vele vormen - gemaakt van metalen, halfgeleiders, isolatoren en organische verbindingen - en worden bestudeerd voor gebruik in elektronica, energie conversie, optica en chemische detectie, onder andere velden.

De eerste ontdekking van koolstofnanobuisjes - kleine buisjes van pure koolstof, in wezen vellen grafeen opgerold tot een cilinder - wordt over het algemeen toegeschreven aan een artikel dat in 1991 werd gepubliceerd door de Japanse natuurkundige Sumio Ijima (hoewel sommige vormen van koolstofnanobuisjes eerder waren waargenomen). Bijna onmiddelijk, er was een explosie van interesse in deze exotische vorm van een alledaags materiaal. Nanodraden - vaste kristallijne vezels, in plaats van holle buizen - kregen een paar jaar later een vergelijkbare bekendheid.

Door hun extreme slankheid, zowel nanobuisjes als nanodraden zijn in wezen eendimensionaal. "Het zijn quasi-eendimensionale materialen, ", zegt Silvija Gradečak, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan het MIT:"Twee van hun afmetingen zijn op nanometerschaal." Deze eendimensionaliteit verleent onderscheidende elektrische en optische eigenschappen.

Voor een ding, het betekent dat de elektronen en fotonen in deze nanodraden "quantum opsluitingseffecten ervaren, " zegt Gradečak. En toch, in tegenstelling tot andere materialen die zulke kwantumeffecten produceren, zoals kwantumdots, De lengte van nanodraden maakt het voor hen mogelijk om verbinding te maken met andere macroscopische apparaten en de buitenwereld.

De structuur van een nanodraad is zo eenvoudig dat er geen ruimte is voor defecten, en elektronen passeren ongehinderd, Gradečak legt uit. Dit omzeilt een groot probleem met typische kristallijne halfgeleiders, zoals die gemaakt zijn van een plak silicium:er zijn altijd defecten in die structuren, en die defecten interfereren met de doorgang van elektronen.

Gemaakt van verschillende materialen, nanodraden kunnen worden "gegroeid" op veel verschillende substraten door middel van een dampafzettingsproces. Kleine kralen van gesmolten goud of andere metalen worden op een oppervlak afgezet; het nanodraadmateriaal, in damp, wordt dan geabsorbeerd door het gesmolten goud, uiteindelijk groeien vanaf de onderkant van die kraal als een magere kolom van het materiaal. Door de grootte van de metalen kraal te selecteren, het is mogelijk om de grootte van de resulterende nanodraad nauwkeurig te regelen.

In aanvulling, materialen die zich normaal niet gemakkelijk mengen, kunnen in nanodraadvorm worden samengekweekt. Bijvoorbeeld, lagen van silicium en germanium, twee veelgebruikte halfgeleiders, "zijn erg moeilijk om samen te groeien in dunne films, " zegt Gradečak. "Maar in nanodraden, ze kunnen zonder problemen worden gekweekt." de apparatuur die nodig is voor dit soort dampafzetting wordt veel gebruikt in de halfgeleiderindustrie, en kunnen gemakkelijk worden aangepast voor de productie van nanodraden.

Hoewel de diameters van nanodraden en nanobuisjes verwaarloosbaar zijn, hun lengte kan oplopen tot honderden micrometers, zelfs reikende lengtes die met het blote oog zichtbaar zijn. Geen enkel ander bekend materiaal kan zulke extreme lengte-diameterverhoudingen produceren:miljoenen keren langer dan breed.

Daarom, de draden hebben een extreem hoge verhouding van oppervlakte tot volume. Dat maakt ze erg goed als detectoren, omdat al dat oppervlak kan worden behandeld om te binden met specifieke chemische of biologische moleculen. Het elektrische signaal dat door die binding wordt gegenereerd, kan dan gemakkelijk langs de draad worden verzonden.

evenzo, de vorm van nanodraden kan worden gebruikt om smalstraallasers of lichtgevende diodes (LED's) te produceren, zegt Gradečak. Deze kleine lichtbronnen kunnen ooit toepassingen vinden in fotonische chips, bijvoorbeeld-chips waarin informatie wordt gedragen door licht, in plaats van de elektrische ladingen die informatie doorgeven in de hedendaagse elektronica.

In vergelijking met vaste nanodraden, nanobuisjes hebben een complexere structuur:in wezen één atoom dikke platen pure koolstof, met de atomen gerangschikt in een patroon dat lijkt op kippengaas. Ze gedragen zich in veel opzichten als eendimensionale materialen, maar zijn eigenlijk holle buizen, als een lange, rietje op nanometerschaal.

De eigenschappen van koolstofnanobuisjes kunnen sterk variëren, afhankelijk van hoe ze zijn opgerold, een eigenschap genaamd chiraliteit. (Het is vergelijkbaar met het verschil tussen het vormen van een papieren buis door een vel papier in de lengterichting versus op de diagonaal te rollen:de verschillende uitlijningen van vezels in het papier produceren verschillende sterkte in de resulterende buizen.) In het geval van koolstofnanobuisjes, chiraliteit kan bepalen of de buizen zich als metalen of als halfgeleiders gedragen.

Maar in tegenstelling tot de nauwkeurige productiecontrole die mogelijk is met nanodraden, tot nu toe produceren methoden voor het maken van nanobuisjes een willekeurige mix van soorten, die moeten worden gesorteerd om gebruik te maken van een bepaalde soort. Naast enkelwandige nanobuisjes, ze bestaan ​​ook in dubbelwandige en meerwandige vormen.

Naast hun nuttige elektronische en optische eigenschappen, koolstofnanobuisjes zijn uitzonderlijk sterk, en worden gebruikt als versterkende vezels in geavanceerde composietmaterialen. "In elke toepassing waar eendimensionaliteit belangrijk is, zowel koolstofnanobuisjes als nanodraden zouden voordelen opleveren, ' zegt Gradečak.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.