In de drang om elektronica te miniaturiseren, magneetventielen zijn veel te groot geworden, zeggen wetenschappers van Rice University die de essentiële component hebben ontdekt, kunnen worden verkleind tot nanogrootte met prestaties op macroschaal.

Het geheim zit in een spiraalvorm van atoomdun grafeen dat, opmerkelijk, te vinden in de natuur, volgens Rice theoretisch fysicus Boris Yakobson en zijn collega's.

"Gebruikelijk, we bepalen de eigenschappen van materialen waarvan we denken dat ze mogelijk kunnen worden gemaakt, maar deze keer kijken we naar een configuratie die al bestaat, " zei Yakobson. "Deze spiralen, of schroefdislocaties, vormen van nature in grafiet tijdens zijn groei, zelfs in steenkool."

De onderzoekers stelden vast dat wanneer een spanning wordt aangelegd, stroom zal rond het spiraalvormige pad vloeien en een magnetisch veld produceren, zoals het doet in macro-spoelmagneten. De ontdekking wordt gedetailleerd beschreven in een nieuw artikel in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

"Je kunt de structuur vergelijken met een hoogbouwparkeerplaats voor elektronen, maar zonder parkeerplaatsen, dus de elektronen rijden er gewoon doorheen, "Zei Yakobson. "Of je kunt zeggen dat het lijkt op de schroef van Archimedes - die draait om water omhoog te pompen - maar in plaats daarvan gevuld is met elektriciteit.

"Misschien werkt dit hier omgekeerd:een elektronenstroom, doorgepompt door de aangelegde spanning, onder bepaalde omstandigheden kan de grafeenspiraal gewoon gaan draaien, als een snelle kleine elektro-turbine, " hij zei.

Solenoïden zijn draden die rond een metalen kern zijn gewikkeld. Ze produceren een magnetisch veld wanneer ze stroom voeren, ze in elektromagneten veranderen. Deze zijn wijdverbreid in elektronische en mechanische apparaten, van printplaten tot transformatoren tot auto's. Ze dienen ook als inductoren, primaire componenten in elektrische circuits die de stroom regelen, en maken in hun kleinste vorm deel uit van geïntegreerde schakelingen. (De klomp in stroomkabels die elektronische apparaten voeden, bevat inductoren.)

Terwijl transistors steeds kleiner worden, basisinductoren in de elektronica zijn relatief omvangrijk geworden, zei Fangbo Xu, een Rice-alumnus en hoofdauteur van het artikel. "Het is hetzelfde binnen de circuits, " zei hij. "Commerciële spiraalvormige inductoren op silicium nemen een te groot gebied in beslag. Indien gerealiseerd, grafeen nano-solenoïden kunnen dat veranderen."

De nano-solenoïden die door computermodellen in Rice zijn geanalyseerd, zouden in staat moeten zijn om krachtige magnetische velden van ongeveer 1 tesla te produceren, ongeveer hetzelfde als de spoelen in typische luidsprekers, volgens Yakobson en zijn team. Ze ontdekten dat het magnetische veld het sterkst zou zijn in de holte, nanometer brede holte in het midden van de spiraal.

De spiraalvorm is toe te schrijven aan een eenvoudige topologische truc, hij zei. Grafeen is gemaakt van zeshoekige reeksen koolstofatomen. Misvormde zeshoeken, bekend als dislocaties langs één rand, dwingen het grafeen om zichzelf te draaien, verwant aan een continu nanolint dat een wiskundige constructie nabootst die bekend staat als een Riemann-oppervlak.

De onderzoekers demonstreerden theoretisch hoe energie door de zeshoeken zou stromen in nano-solenoïden met randen in fauteuils of zigzagformaties. In een geval, ze bepaalden dat de prestatie van een conventionele spiraalinductor met een diameter van 205 micron kan worden geëvenaard door een nano-solenoïde van 70 nanometer breed - bijna 10, 000, 000 keer kleiner.

Omdat grafeen geen energiebandafstand heeft (wat een materiaal halfgeleidende eigenschappen geeft), elektriciteit moet er zonder barrières doorheen kunnen. Maar eigenlijk, de breedte van de spiraal en de configuratie van de randen - fauteuil of zigzag - beïnvloeden hoe de stroom wordt verdeeld, en dus zijn inductieve eigenschappen.

De onderzoekers suggereerden dat het mogelijk zou moeten zijn om grafeenschroefdislocaties te isoleren uit kristallen van grafietkoolstof (grafeen in bulkvorm), maar het verleiden van grafeenvellen om in een spiraal te groeien, zou een betere controle over de eigenschappen ervan mogelijk maken, zei Yakobson.

Xu suggereerde dat nano-solenoïden ook nuttig kunnen zijn als moleculaire relais of schakelbare vallen voor magnetische moleculen of radicalen in chemische sondes.