In deze tijd van het jaar is het niet moeilijk om je de wereld voor te stellen die begraven ligt onder een gladde sneeuwdeken. Een picknicktafel op een vlak gazon verdwijnt uiteindelijk terwijl er zich triljoenen sneeuwvlokken omheen verzamelen, een kristallijne laag die de normaal zichtbare toppen en dalen van onze zomerwereld verduistert.

Dit is in feite hoe wetenschappers de klassieke theorie van kristallijne groei begrijpen. Hoogtestappen verdwijnen geleidelijk naarmate atomen van een bepaald materiaal - of het nu sneeuw of koper of aluminium is - zich op een oppervlak verzamelen en vervolgens naar lagere hoogten tuimelen om de gaten op te vullen. Het enige probleem met deze theorie is dat het volledig uit elkaar valt wanneer het wordt toegepast op extreem kleine situaties, d.w.z. de nanoschaal.

Hanchen Huang, hoogleraar en voorzitter van de faculteit Werktuigbouwkunde, heeft de afgelopen 10 jaar besteed aan het herzien van de klassieke theorie van kristalgroei die verantwoordelijk is voor zijn observaties van nanostaafjeskristallen. Zijn werk kreeg de voortdurende steun van de VS, Department of Energy's Basic Energy Science Core Program.

Nanostaafjes zijn minuscule vezels die loodrecht op een substraat zijn gegroeid. elk ongeveer 100, 000 keer dunner dan een mensenhaar. Oppervlakte stappen, of de kleine variaties in het verticale landschap van dat substraat, bepalen hoe de staven zullen groeien.

"Zelfs als sommige oppervlaktestappen dichterbij zijn en andere meer uit elkaar bij het begin, met de tijd voorspelt de klassieke theorie dat ze meer gelijk worden, " zei Huang. "Maar we ontdekten dat de klassieke theorie een positief feedbackmechanisme miste."

Dit mechanisme, hij legde uit, zorgt ervoor dat de stappen "clusteren, " waardoor het moeilijker wordt voor atomen om van een hogere naar een lagere te vallen. Dus, in plaats van de hoogteverschillen van een variabel oppervlak op te vullen, atomen in een nanostaafje kristal lokaliseren tot de hoogste niveaus.

"De hogere regio wordt groter, " Huang zei. "Het is alsof, als je ooit basketbal speelt, je weet dat de grotere jongens meer rebounds zullen krijgen." Dat is eigenlijk wat er gebeurt met de groei van nanostaafjes.

Huangs theorie, die in het tijdschrift werd gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven dit jaar, is de eerste keer dat iemand een theoretisch raamwerk heeft geleverd voor het begrijpen van de groei van nanostaafjes. "Er is de afgelopen decennia veel geld uitgegeven aan nanowetenschap en nanotechnologie, "Zei Huang. "Maar we kunnen dat alleen in echte toepassingen omzetten als we de wetenschap begrijpen."

Inderdaad, zijn bijdrage aan het begrijpen van de wetenschap stelde hem en zijn collega's in staat om de kleinst mogelijke grootte voor koperen nanostaafjes te voorspellen en ze vervolgens met succes te synthetiseren. Het zijn niet alleen de kleinste nanostaafjes die ooit zijn geproduceerd, maar met de theorie van Huang kan hij vol vertrouwen zeggen dat dit de kleinste nanostaafjes zijn die mogelijk zijn met behulp van fysieke dampafzetting.

Het materiaal heeft grote gevolgen voor commerciële toepassingen, inclusief een soort metaallijm die bij kamertemperatuur twee stukken metaal aan elkaar kan smelten, in de omgeving, en met zeer weinig drukinvoer. Deze technologie kan omgevingssolderen mogelijk maken zonder de noodzaak van giftig lood, en zou daarom zeer waardevol kunnen zijn voor de halfgeleiderindustrie, die de samenleving doordringt door het alomtegenwoordige gebruik van handheld en andere computerapparatuur.