(Phys.org) —De volgende doorbraak in zeer efficiënte batterijtechnologieën en zonnecellen zou heel goed nanoscopische kristallen van silicium kunnen zijn die als wolkenkrabbers op waferschaalsubstraten zijn geassembleerd. Een belangrijke route voor de groei van deze "snorharen" op nanoschaal - of nanodraden - omvat gelegeerde metalen druppeltjes.

Moneesh Upmanyu, universitair hoofddocent bij de faculteit Werktuigbouwkunde, heeft computerhulpmiddelen gebruikt om de interacties op atomaire schaal tussen deze druppeltjes en de groei van nanodraden te begrijpen.

"De druppel kan op verschillende niveaus multitasken, en dat is het mooie van deze groeitechniek, " zei Upmanyu. "Het katalyseert en absorbeert vervolgens de groeiende soort uit de omringende damp, raakt verzadigd, en leidt uiteindelijk de kiemvorming van de groeiende nanodraad, niet anders dan een jet die een kristallijne nanodraad in zijn kielzog achterlaat."

De techniek is tientallen jaren geleden ontwikkeld voor het kweken van silicium "snorharen" die een druppel vloeibaar metaal gebruikten om verdampte siliciumdeeltjes te misleiden om te stollen als snorharen. De synthetische route wordt nu veel gebruikt voor het kweken van nanodraden voor een verscheidenheid aan technologisch belangrijke materialen.

"De druppel geeft uiteindelijk absolute controle over de groeivorm, maar niemand wist precies hoe het de nanodraden in specifieke vormen en maten vormgeeft, " zei Hailong Wang, een voormalig postdoctoraal student binnen Upmanyu's groep en de eerste auteur van een recent gepubliceerd artikel over dit onderzoek in het tijdschrift Natuurcommunicatie . De studie werd uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory en de Colorado School of Mines.

"Er was geen begrip op atomaire schaal, meestal aannames, " voegde Upmanyu eraan toe." Het ontmaskeren ervan is van cruciaal belang omdat het ons in staat stelt de groeivorm te beheersen en, zoals het geval is op deze kleine schaal, vorm dicteert steevast de functie.

De onderzoekers ontdekten dat de druppel zich niet gelijkmatig om de nanodraad wikkelt. Liever, het verleidt het groeiende uiteinde van de nanodraad om te facetten in ongelijk afgeschuinde randen. "Deze verzameling afgeknotte randen heeft hetzelfde doel als de Archimedische spiralen die de groei van kristallen op macroschaal vergemakkelijken, en dat is een belangrijk onderdeel van de puzzel voor grootschalige groei van deze kristallen met voorgeschreven vorm, " zei Upmanyu. Terwijl de druppel de verdampte deeltjes in vloeibare toestand verzamelt, ze beginnen het systeem te verzadigen en neerslaan om de massieve draad te vormen. De neerslag is veel sneller op de afgeschuinde randen, die uiteindelijk leiden tot laag-voor-laag groei van de nanodraad.

Met dit nieuwe inzicht onderzoekers kunnen beginnen met het ontwikkelen van zeer specifieke kristallijne structuren - variërend van efficiënte zonnepanelen tot LED-verlichting - tegen relatief goedkope prijzen. Upmanyu is al begonnen samen te werken met andere onderzoekers van Northeastern, van natuurkundigen tot biologen, om nanodraden met bepaalde eigenschappen te "boetseren".

"Een fundamenteel begrip van de groei van nanokristallen blijft een uitdaging, aangezien de belangrijkste processen een interdisciplinaire inspanning vereisen, " zei Upmanyu. "Naast geavanceerde computerhulpmiddelen en algoritmen, het omvat elementen van groeichemie, legeringsmetallurgie, en oppervlaktewetenschap."