Beweeg over, silicium. In een doorbraak in de zoektocht naar de volgende generatie computers en materialen, onderzoekers van het USC hebben een langdurige uitdaging met koolstofnanobuisjes opgelost:hoe ze daadwerkelijk te bouwen met specifieke, voorspelbare atomaire structuren.

"We lossen een fundamenteel probleem van de koolstofnanobuis op, " zei Chongwu Zhou, professor in de Ming Hsieh Department of Electrical Engineering aan de USC Viterbi School of Engineering en corresponderende auteur van de studie gepubliceerd op 23 augustus in het tijdschrift Nano-letters . "Om de atomaire structuur te kunnen beheersen, of chiraliteit, van nanobuisjes is eigenlijk onze droom geweest, een droom op het gebied van nanobuisjes."

Als dit een tijdperk is gebouwd op silicium, dan kan de volgende worden gebouwd op koolstofnanobuisjes, die veelbelovend zijn gebleken in alles, van optica tot energieopslag tot aanraakschermen. Nanobuisjes zijn niet alleen transparant, maar deze onderzoeksontdekking over hoe de atomaire structuur van nanobuisjes kan worden gecontroleerd, zal de weg vrijmaken voor computers die kleiner zijn, sneller en energiezuiniger dan die welke afhankelijk zijn van siliciumtransistors.

"We zijn nu bezig om het proces op te schalen, "Zei Zhou. "Onze methode kan het veld vernieuwen en de echte toepassingen van nanobuisjes op veel gebieden aanzienlijk vooruithelpen."

Tot nu, wetenschappers waren niet in staat koolstofnanobuisjes te "kweken" met specifieke attributen - zeg maar metaal in plaats van halfgeleidend - in plaats van vermengd te raken, willekeurige batches en vervolgens sorteren. Het sorteerproces verkortte ook de nanobuisjes aanzienlijk, waardoor het materiaal voor veel toepassingen minder praktisch is.

Al meer dan drie jaar, het USC-team heeft gewerkt aan het idee om deze kort gesorteerde nanobuisjes te gebruiken als "zaden" om langere nanobuisjes te laten groeien, ze bij hoge temperaturen uit te breiden om de gewenste atomaire structuur te krijgen.

Een paper van vorig jaar door hetzelfde team in Natuurcommunicatie schetste de techniek, en in de stroom Nano-letters papier, de onderzoekers rapporteren over hun laatste grote succes:het identificeren van de "groeirecepten" voor het bouwen van koolstofnanobuisjes met specifieke atomaire structuren.

"We identificeren de mechanismen die nodig zijn voor massaversterking van nanobuisjes, " zei co-hoofdauteur Jia Liu, een doctoraalstudent scheikunde aan het USC Dornsife College of Letters, Kunsten en Wetenschappen, herinnerend aan het moment waarop, alleen in een donkere kamer, ze zag eindelijk de spectrale gegevens die hun methode ondersteunen. "Het was mijn Eureka-moment."

"Om het groeigedrag van nanobuisjes te begrijpen, kunnen we grotere hoeveelheden nanobuisjes produceren en die groei beter beheersen, " zij ging door.

Elk gedefinieerd type koolstofnanobuis heeft een frequentie waarmee het uitzet en samentrekt. De onderzoekers toonden aan dat de nieuw gegroeide nanobuisjes dezelfde atomaire structuur hadden door de Raman-frequentie te matchen.

"Dit is een heel spannend veld, en dit was het moeilijkste probleem, " zei co-hoofdauteur Bilu Liu, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker aan de USC Viterbi School of Engineering. "Ik ontmoette professor Zhou [senior auteur van het artikel] op een conferentie en hij zei dat hij de uitdaging wilde aangaan om de atomaire structuur van nanobuisjes te controleren. Dat bracht me naar zijn laboratorium, omdat het de grootste uitdaging was."

In aanvulling, de studie wees uit dat nanobuisjes met verschillende structuren zich ook heel anders gedragen tijdens hun groei, waarbij sommige nanobuisstructuren sneller groeien en andere langer onder bepaalde omstandigheden.

"Voorheen was het erg moeilijk om de chiraliteit te beheersen, of atomaire structuur, van nanobuisjes, vooral bij het gebruik van metalen nanodeeltjes, " zei Bilu Liu. "De structuren kunnen er ongeveer hetzelfde uitzien, maar de eigenschappen zijn heel verschillend. In dit artikel ontcijferen we de atomaire structuur van nanobuisjes en laten we zien hoe we die atomaire structuur precies kunnen controleren."