Wetenschappers van Harvard hebben een unieke methode ontwikkeld om een ​​klasse nanodraden te maken die op een dag toepassingen zouden kunnen hebben in gebieden variërend van consumentenelektronica tot zonnepanelen.

De techniek, ontwikkeld door Bobby Day en Max Mankin, afgestudeerde studenten werken in het lab van Charles Lieber, de Mark Hyman Jr. hoogleraar scheikunde, maakt gebruik van twee reeds lang begrepen principes. Een daarvan is Plateau-Rayleigh-instabiliteit, een aspect van vloeistofdynamica dat beschrijft waarom een ​​dunne stroom water uiteenvalt in kleinere druppeltjes. De andere betreft kristalgroei. De techniek wordt beschreven in een artikel dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Nanotechnologie .

"Dit is echt een fundamentele ontdekking, " zei Day. "We zijn nog in de beginfase, maar we denken dat er veel ruimte is voor ontdekking, zowel fundamentele eigenschappen van deze structuren als toepassingen."

Voor het eerst beschreven in 1870, Plateau-Rayleigh-instabiliteit wordt normaal gesproken geassocieerd met vloeistoffen, maar onderzoekers herkennen al jaren een soortgelijk fenomeen in nanodraden. Bij verhitting tot extreme temperaturen, de draden transformeren van vast in een reeks periodiek uit elkaar geplaatste druppeltjes.

Om het nieuwe type draad te maken, Day en Mankin verhitten traditioneel gekweekte nanodraden tot net onder dat transformatiepunt in een vacuümkamer, vervolgens in siliciumatomen gepompt, die spontaan kristalliseren op de draad.

In plaats van een uniform omhulsel te vormen, de atomen groeien tot regelmatig uit elkaar geplaatste structuren, vergelijkbaar met de druppeltjes die verschijnen wanneer nanodraden afbreken bij hoge temperaturen. In tegenstelling tot de druppels, Hoewel, het proces kan strak worden gecontroleerd.

"Door de temperatuur en druk te variëren, we kunnen enige controle uitoefenen over de grootte en afstand van deze structuren, " zei Day. "Wat we ontdekten was als we de voorwaarden veranderen, we kunnen 'afstemmen' hoe deze structuren worden gebouwd."

Naast het dupliceren van het proces in nanodraden met een diameter van 20 tot 100 nanometer, onderzoekers demonstreerden het proces met behulp van verschillende combinaties van materialen, inclusief silicium en germanium. Naast het kunnen "tunen" van de afstand tussen de lobben op nanodraden, Mankin zei dat tests hebben aangetoond dat ze ook de doorsnede van de draden konden afstemmen.

"We kunnen de doorsnede afstemmen om meer ronde of vierkante draden te produceren, "Zei Mankin. "We waren ook in staat om draden te produceren met een bloedplaatjesachtige vorm."

Met die nieuwe structuren onderzoekers vonden, kwamen nieuwe eigenschappen voor de draden. Terwijl de studie van Day en Mankin zich richtte op het vermogen van de draden om verschillende golflengten van licht te absorberen, beide zeiden dat aanvullend onderzoek nodig is om andere eigenschappen te verkennen.

"Dit document is slechts een voorbeeld, " zei Day. "Er zijn veel andere eigenschappen, waaronder thermische geleidbaarheid, elektrische geleiding, en magnetische eigenschappen - die afhankelijk zijn van de diameter van de draden, en ze moeten nog worden onderzocht."

Hoewel het jaren kan duren om die extra eigenschappen volledig te verkennen, Day en Mankin zeiden dat toepassingen voor de nieuwe draden op korte termijn zouden kunnen ontstaan.

"Structuren op deze schaal, omdat ze een subgolflengte hebben, licht zeer efficiënt absorberen, Day legde uit. "Ze werken bijna als optische antennes, en laat het licht erin. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat draden met verschillende diameters verschillende golflengten van licht absorberen. Bijvoorbeeld, zeer kleine diameters absorberen blauw licht goed, en grotere diameters absorberen groen licht. Wat we hebben laten zien, is dat als je deze modulatie langs de structuur hebt... we het beste van twee werelden kunnen hebben en beide golflengten op dezelfde structuur kunnen absorberen."

De ongebruikelijke lichtabsorptiecapaciteiten van de nieuwe draden eindigen daar niet, Hoewel.

Door de ruimte tussen de kristallijne structuren te verkleinen, Day en Mankin ontdekten dat de draden niet alleen licht absorberen op specifieke golflengten, ze absorberen ook licht uit andere delen van het spectrum.

"Het is eigenlijk meer dan een eenvoudig additief effect, " zei Day. "Als je de afstand verkleint tot afstanden kleiner dan ongeveer 400 nanometer, het creëert zogenaamde roostermodi, en we zien deze enorme absorptiepieken in het infrarood. Dat betekent dat je met deze nanodraden dezelfde hoeveelheid infrarood licht kunt absorberen als met traditionele siliciummaterialen die 100 keer dikker zijn."

"Dit is een krachtige ontdekking omdat eerder, als je nanodraden wilt gebruiken voor fotodetectie van groen en blauw licht, je hebt twee draden nodig, "Zei Mankin. "Nu kunnen we de hoeveelheid ruimte die een apparaat in beslag neemt, verkleinen door meerdere functies in een enkele draad te hebben. We zullen kleinere apparaten kunnen bouwen die nog steeds een hoog rendement behouden, en in sommige gevallen zal het voordeel halen uit nieuwe eigenschappen die voortkomen uit deze modulatie die je niet hebt in draden met een uniforme diameter."

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, De officiële krant van Harvard University. Voor aanvullend universiteitsnieuws, bezoek Harvard.edu.