Een van de al lang bestaande problemen bij het werken met nanomaterialen - stoffen op moleculaire en atomaire schaal - is het beheersen van hun grootte. Wanneer hun grootte verandert, hun eigenschappen veranderen ook. Dit suggereert dat uniforme controle over de grootte van cruciaal belang is om ze betrouwbaar te gebruiken als componenten in elektronica.

In andere woorden, "Als je geen controle hebt over de grootte, u zult inhomogeniteit in prestaties hebben, "zegt Mark Hersam. "Je wilt niet dat sommige van je mobiele telefoons werken, en anderen niet."

Hersam, een professor in de materiaalkunde, scheikunde en geneeskunde aan de Northwestern University, heeft een methode ontwikkeld om nanomaterialen te scheiden op grootte, waardoor een consistentie wordt geboden in eigenschappen die anders niet beschikbaar zijn. Bovendien, de oplossing kwam rechtstreeks uit de levenswetenschappen:biochemie, in feite.

De techniek, bekend als dichtheidsgradiënt ultracentrifugatie, is een decennia oud proces dat wordt gebruikt om biomoleculen te scheiden. De door de National Science Foundation (NSF) gefinancierde wetenschapper theoretiseerde correct dat hij het kon aanpassen om koolstofnanobuisjes te scheiden, opgerolde vellen grafeen (een enkele atomaire laag van hexagonaal gebonden koolstofatomen), lang erkend voor hun potentiële toepassingen in computers en tablets, smartphones en andere draagbare apparaten, fotovoltaïsche, batterijen en bio-imaging.

De techniek is zo succesvol gebleken dat Hersam en zijn team nu in het bezit zijn van twee dozijn lopende of uitgegeven patenten, en richtten in 2007 hun eigen bedrijf op, NanoIntegris, begonnen met een $ 150, 000 NSF subsidie ​​voor kleine bedrijven. Het bedrijf is erin geslaagd de productie met 10 op te schalen, 000-voudig, en heeft momenteel 700 klanten in 40 landen.

"We hebben nu de capaciteit om tien keer de wereldwijde vraag naar dit materiaal te produceren, ' zegt Hersam.

NSF ondersteunt Hersam met een $640,- 000 individuele onderzoekersbeurs toegekend in 2010 voor vijf jaar. Ook, hij leidt Northwestern's Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), die NSF financiert, inclusief ondersteuning voor ongeveer 30 docenten/onderzoekers.

Hersam is ook een recente ontvanger van een van de prestigieuze MacArthur-beurzen van dit jaar, een $ 625, 000 vrijblijvende prijs, in de volksmond bekend als een "geniale" subsidie. Deze gaan naar getalenteerde individuen die buitengewone originaliteit en toewijding hebben getoond in hun vakgebied, en zijn bedoeld om begunstigden aan te moedigen hun belangen vrijelijk te verkennen zonder bang te hoeven zijn voor het nemen van risico's.

"Hierdoor kunnen we meer risico's nemen in ons onderzoek, aangezien er geen 'mijlpalen' zijn die we moeten halen, " hij zegt, verwijzend naar een veel voorkomende behoefte van veel financiers. "Ik heb ook een sterke interesse in lesgeven, dus ik zal het geld gebruiken om zoveel mogelijk studenten te beïnvloeden."

Het scheidingsproces van koolstofnanobuizen, die Hersam ontwikkelde, begint met een centrifugebuis. Daarin, "we laden een oplossing op waterbasis en introduceren een additief waarmee we de drijvende dichtheid van de oplossing zelf kunnen afstemmen, " hij legt uit.

"Wat we creëren is een gradiënt in de drijvende dichtheid van de waterige oplossing, met een lage dichtheid aan de bovenkant en een hoge dichtheid aan de onderkant, " vervolgt hij. "Vervolgens laden we de koolstofnanobuisjes en stoppen ze in de centrifuge, die de nanobuisjes door de gradiënt drijft. De nanobuisjes bewegen door de gradiënt totdat hun dichtheid overeenkomt met die van de gradiënt. Het resultaat is dat de nanobuisjes door dichtheid gescheiden banden in de centrifugebuis vormen. Aangezien de dichtheid van de nanobuis een functie is van de diameter, deze methode maakt scheiding op diameter mogelijk."

Een eigenschap die deze materialen onderscheidt van traditionele halfgeleiders zoals silicium, is dat ze mechanisch flexibel zijn. "Koolstofnanobuisjes zijn zeer veerkrachtig, " zegt Hersam. "Dat stelt ons in staat om elektronica te integreren op flexibele substraten, zoals kleding, schoenen, en polsbanden voor realtime monitoring van biomedische diagnostiek en atletische prestaties. Deze materialen hebben de juiste combinatie van eigenschappen om draagbare elektronica te realiseren."

Hij en zijn collega's werken ook aan energietechnologieën, zoals zonnecellen en batterijen "die de efficiëntie kunnen verbeteren en de kosten van zonnecellen kunnen verlagen, en verhoog de capaciteit en verkort de oplaadtijd van batterijen, " zegt hij. "De resulterende batterijen en zonnecellen zijn ook mechanisch flexibel, en dus kan worden geïntegreerd met flexibele elektronica."

Ze zullen waarschijnlijk zelfs waterdicht zijn. "Het blijkt dat koolstofnanomaterialen hydrofoob zijn, zodat het water er zo van af rolt, " hij zegt.

Materialen op nanometerschaal kunnen nu "nieuwe eigenschappen en combinaties van eigenschappen realiseren die ongekend zijn, " voegt hij eraan toe. "Dit zal niet alleen de huidige technologieën verbeteren, maar in de toekomst nieuwe technologieën mogelijk maken."