(Phys.org) — Twee onderzoekers op graduaatniveau aan de School of Engineering hebben enkele van 's werelds kleinste metalen nanostaafjes gekweekt; een belangrijke wetenschappelijke doorbraak die volgens hun faculteitsadviseur een bewijs is van de robuuste graduate onderwijsprogramma's van UConn.

Werkend onder leiding van professor Hanchen Huang, postdoctoraal onderzoeker Xiaobin Niu en Ph.D. kandidaat Stephen Stagon brak nieuwe wegen toen ze het theoretische raamwerk voor de groei van metalen nanostaafjes ontwikkelden met behulp van een proces dat bekend staat als fysieke dampafzetting.

De onderzoekers gebruikten die kennis vervolgens om met succes nanostaafjes van edelmetaal met een diameter van 10 nanometer te kweken. die de kleinste zijn die ooit zijn geregistreerd met behulp van fysieke dampafzetting. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , 's werelds meest vooraanstaande natuurkundetijdschrift.

"Dit opent echt de deur voor een veelheid aan technologieën, " zegt Huang, UConn's Connecticut Clean Energy Fund hoogleraar duurzame energie en senior auteur van de studie. "Zonder het theoretisch kader, we zouden deze kleine nanostaafjes niet hebben kunnen maken omdat we geen wetenschappelijke begeleiding hadden. Deze kennis moet een grote technologische impact hebben in de elektronica, energie, en productie."

Edelmetalen nanostaafjes - nanostaafjes gemaakt van metalen die bestand zijn tegen corrosie en oxidatie - kunnen worden gebruikt in micro-elektronica, alles van stroom voorzien, van zonnecellen tot mobiele telefoons. Eerder, de minimale diameter van metalen nanostaafjes was theoretisch onbekend, er was dus geen duidelijk doel voor experimenten en geen inzicht in hoe het doel te benaderen. Terwijl sommige onderzoekers metalen nanostaafjes hebben laten groeien met een diameter van minder dan 50 nanometer, hun succes was grotendeels gebaseerd op toeval, observatie, en anekdotisch bewijs. Er waren problemen met het betrouwbaar dupliceren van het proces voor verschillende materialen, en de staven versmolten vaak samen en werden een film wanneer hun diameters in de buurt van het bereik van 10 nanometer kromp.

Het ontwikkelen van een gesloten-vormtheorie voor de groei van metalen nanostaafjes is het hoogtepunt van 10 jaar werk voor Huang, die voortdurend werd ondersteund door onderzoeksbeurzen van het Office of Basic Energy Sciences Core-programma van het Amerikaanse Department of Energy. De hernieuwbare subsidies zijn bedoeld om fundamenteel onderzoek te ondersteunen dat wetenschappers helpt om beter te begrijpen, voorspellen, en uiteindelijk de controle over materie en energie op de elektronische, atoom, en moleculaire niveaus.

Niu besteedde meer dan een jaar aan het vaststellen van de wetenschappelijke eigenschappen van de groei van de nanostaafjes door middel van wiskundige formulering en computationele modellering, zorgvuldig lagen atomen op atomen om te zien welk proces het beste werkte. Stag, In de tussentijd, begeleidende validatie-experimenten uitgevoerd bij UConn, evenals bij het Center for Integrated Nanotechnologies in het Los Alamos National Laboratory.

Een belangrijk moment kwam toen het team ontdekte dat een lang gekoesterde klassieke theorie voor de groei van nanostaafjes gebrekkig was. De theorie hield in dat alleen enkellaagse oppervlaktestappen stabiel waren, en meerlaagse oppervlaktestappen waren dat niet, wat leidde tot de onmogelijkheid van extreem kleine nanorod-groei binnen de vorige theorie. Maar Huang, Niu, en Stagon vond precies het tegenovergestelde, dat meerlagige oppervlaktestappen kinetisch stabiel zijn, en ze dicteren hoe opeenvolgende lagen van adatoms zichzelf positioneren - een belangrijke ontwikkeling voor het produceren van nanostaafjes van edelmetaal met een diameter van 10 nanometer of minder.

Door andere groeiomstandigheden te veranderen, zoals het type substraat, de afzettingshoek, en de temperatuur die in het proces wordt gebruikt, het onderzoeksteam was in staat om met succes nanostaafjes te kweken met een diameter van ongeveer 10 nanometer en duidelijk van elkaar gescheiden, een andere belangrijke eigenschap die hun prestaties mogelijk maakt.

"Als je metalen nanostaafjes produceert met een diameter van 10 nanometer of minder, nano-effecten nemen het over en je begint te profiteren van die eigenschappen op nanoschaal waar iedereen over schrijft en over praat, " zegt Stag, een inwoner van Connecticut die een van de beste studenten was in zijn UConn Mechanical Engineering-klas toen hij afstudeerde in 2009. Stagon is ook de ontvanger van een prestigieuze federale Graduate Assistance in Areas of National Need (GAANN) fellowship, die zijn onderzoek naar nanostaafjes gedeeltelijk ondersteunde.

Kleiner is altijd beter als het gaat om metalen nanostaafjes, zegt Huang. Edelmetalen ondergaan fundamentele veranderingen op de schaal van 10 nanometer diameter.

"Als we aan goud denken, we zien dat de kleur goud is, "zegt Huang. "Maar als je onder de 10 nanometer gaat, je begint paars goud te zien, blauw goud, groen goud, en allerlei kleuren. Als je onder de 10 nanometer gaat, het element wordt ook chemisch reactief. De eigenschappen ervan veranderen. U kunt beginnen met het regelen van de elektrische geleidbaarheid."

Het is ook belangrijk om nanostaafjes te hebben die duidelijk gescheiden zijn, zegt Huang. Wanneer de staven stevig in elkaar grijpen, het is moeilijk om er individueel iets aan toe te voegen. Maar als ze goed gescheiden zijn, je kunt er een ring of een coating op doen, hun eigenschappen en potentieel verder te verbeteren.

"Dit was iets dat voorheen niet mogelijk was, " zegt Huang. "Met de ontdekking, onze collega's kunnen nu goedkopere nanostaafjes coaten met een zeer dure katalysator voor onder meer geavanceerde brandstofceltechnologieën. Dit is heel spannend."

Max G. Lagally, Erwin W. Mueller hoogleraar en Bascom hoogleraar oppervlaktewetenschap aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, zegt dat Huang's werk met metalen nanostructuren het inzicht van onderzoekers in het groeiproces heeft verbeterd.

"Hanchen heeft de afgelopen 10 jaar veel van zijn inspanningen gewijd aan het begrijpen op atomistisch niveau van de groei van metalen nanostructuren, en heeft laten zien hoe vooral, stappen bemiddelen de groei …, ", zegt Lagally. "Professor Huang heeft deze concepten hier nog een stap verder gebracht om aan te tonen hoe het bestaan ​​van stappen kan worden gebruikt om de grootte van nanostaafjes te regelen, vooral hoe je ze extreem dun kunt maken. Het werk is fascinerend en berust op degelijke theoretische principes."

Het primaire doel van het onderzoeksteam was om het wetenschappelijke kader achter de groei en show van metalen nanostaafjes te definiëren, theoretisch, hoe zeer dunne nanostaafjes konden worden gekweekt. Het daadwerkelijk kweken van duidelijk gescheiden nanostaafjes met een diameter van 10 nanometer was een extra beloning - en een die ze bijna misten.

Een van de eigenaardigheden van het werken met nanostaafjes met een diameter van 10 nanometer is dat je ze onder de meeste microscopen nauwelijks kunt zien. Ook, toen de gouden nanostaafjes die in het onderzoek worden genoemd voor het eerst werden gemaakt, ze zagen er groen uit. Toen Stagon het materiaal onder een scanning elektronenmicroscoop plaatste om het beter te kunnen zien, eerst zag hij alleen een grijs veld.

"Het test echt de resolutielimiet van elke scanning-elektronenmicroscoop, " zegt Stagon. "Gelukkig, de microscoop bij UConn's Center for Clean Energy Engineering behoort tot de beste."

Stagon zegt dat de ervaring hem heeft geleerd de voordelen van fundamentele technische wetenschap volledig te waarderen en hoe cruciaal deze is voor het bevorderen van technologie en industrie. Zijn doel op lange termijn is om professor te worden, zodat hij het belang van kernwetenschap kan doorgeven aan andere ontluikende ingenieurs.

Niu zegt dat het project "het belangrijkste en meest opwindende werk" is dat hij ooit heeft gedaan.

"Er zijn veel afleidingen in de wiskunde, " zegt Niu, die onlangs is gepromoveerd tot assistent-onderzoeksprofessor. "Als je eindelijk de vergelijking vindt, als je ernaar kijkt en het is zo eenvoudig en mooi, en dan doe je simulaties en de resultaten weerspiegelen de vergelijking, Ik kan niet beschrijven hoe blij je je daardoor voelt."

Huang zegt dat het succes van Stagon en Niu de toewijding van UConn en zijn senior faculteit weerspiegelt om eersteklas afgestudeerde studenten en postdoctorale onderzoekers te werven en te ondersteunen. Federale functionarissen hebben de kracht van de afstudeerprogramma's van UConn erkend door de afgelopen zeven jaar 13 GAANN-beurzen te verstrekken aan afgestudeerde UConn-studenten.

"We besteden veel aandacht aan onze graduate opleidingen en postdoctorale studenten, Huang voegt toe. "We zijn niet alleen succesvol in het aantrekken van extreem getalenteerde Amerikaanse en internationale studenten, we zijn ook zeer succesvol in het behouden van hen via prestigieuze beurzen en andere steun. Ze zijn cruciaal voor zowel ons onderzoekssucces als onze universitaire missie, want we zijn tenslotte een onderwijsinstelling en het is onze missie om een ​​omgeving te bieden aan de volgende generatie ingenieurs en hen voor te bereiden op hun toekomstige carrière."