Het ontwikkelen van nieuwe materialen vanaf de atomen gaat sneller als een deel van het vallen en opstaan ​​wordt geëlimineerd. Een nieuwe studie van Rice University en Montreal Polytechnic wil dat doen voor grafeen- en boornitride-hybriden.

Rijstmateriaalwetenschapper Rouzbeh Shahsavari en Farzaneh Shayeganfar, een postdoctoraal onderzoeker aan de Montreal Polytechnic, ontworpen computersimulaties die grafeen combineren, de atoomdikke vorm van koolstof, met koolstof- of boornitride-nanobuisjes.

Hun hoop is dat dergelijke hybriden de beste aspecten van hun samenstellende materialen kunnen benutten. Het definiëren van de eigenschappen van verschillende combinaties zou de ontwikkeling vereenvoudigen voor fabrikanten die deze exotische materialen willen gebruiken in elektronica van de volgende generatie. De onderzoekers vonden niet alleen elektronische, maar ook magnetische eigenschappen die nuttig zouden kunnen zijn.

Hun resultaten verschijnen in het tijdschrift Koolstof .

Shahsavari's lab bestudeert materialen om te zien hoe ze efficiënter kunnen worden gemaakt, functioneel en milieuvriendelijk. Ze omvatten materialen op macroschaal zoals cement en keramiek, evenals hybriden op nanoschaal met unieke eigenschappen.

"Of het nu op macro- of microschaal is, als we specifiek kunnen weten wat een hybride zal doen voordat iemand de moeite neemt om het te fabriceren, we kunnen kosten en tijd besparen en misschien nieuwe eigenschappen mogelijk maken die met geen van de onderdelen mogelijk zijn, ' zei Shahsavari.

De computermodellen van zijn lab simuleren hoe de intrinsieke energieën van atomen elkaar beïnvloeden terwijl ze zich aan moleculen binden. Voor het nieuwe werk de onderzoekers modelleerden hybride structuren van grafeen- en koolstofnanobuisjes en van grafeen- en boornitride-nanobuisjes.

"We wilden de elektronische en potentieel magnetische eigenschappen van verschillende junctieconfiguraties onderzoeken en vergelijken, inclusief hun stabiliteit, elektronische bandhiaten en ladingsoverdracht, " zei hij. "Toen ontwierpen we drie verschillende nanostructuren met verschillende junctiegeometrie."

Twee waren hybriden met grafeenlagen die naadloos waren verbonden met koolstofnanobuisjes. De andere was vergelijkbaar, maar Voor de eerste keer, ze gemodelleerd een hybride met boornitride nanobuisjes. Hoe de platen en buizen samenvloeiden, bepaalde de eigenschappen van de hybride. Ze bouwden ook versies met nanobuisjes ingeklemd tussen grafeenlagen.

Grafeen is een perfecte geleider wanneer de atomen zijn uitgelijnd als zeshoekige ringen, maar het materiaal wordt gespannen wanneer het vervormt om plaats te bieden aan nanobuisjes in hybriden. De atomen balanceren hun energie op deze knooppunten door vijf-, zeven- of achtkoppige ringen. Deze veroorzaken allemaal veranderingen in de manier waarop elektriciteit over de knooppunten stroomt, het hybride materiaal veranderen in een waardevolle halfgeleider.

Dankzij de berekeningen van de onderzoekers konden ze een aantal effecten in kaart brengen. Bijvoorbeeld, het bleek dat de knooppunten van het hybride systeem pseudomagnetische velden creëren.

"Het pseudomagnetische veld als gevolg van spanning werd eerder gemeld voor grafeen, maar niet deze hybride boornitride en koolstof nanostructuren waar spanning inherent is aan het systeem, " zei Shahsavari. Hij merkte op dat het effect nuttig kan zijn in spintronische en nanotransistortoepassingen.

"Het pseudomagnetische veld zorgt ervoor dat ladingsdragers in de hybride circuleren alsof ze onder invloed zijn van een aangelegd extern magnetisch veld, "zei hij. "Dus, gezien de uitzonderlijke flexibiliteit, sterkte en thermische geleidbaarheid van hybride koolstof- en boornitridesystemen, we stellen voor dat het pseudomagnetische veld een haalbare manier kan zijn om de elektronische structuur van nieuwe materialen te beheersen."

Alle effecten dienen als een routekaart voor nano-engineeringtoepassingen, zei Shahsavari.

"We leggen de basis voor een reeks afstembare hybride architecturen, speciaal voor boornitride, dat even veelbelovend is als grafeen, maar veel minder verkend, " zei hij. "Wetenschappers bestuderen al jaren koolstofstructuren, maar de ontwikkeling van boornitride en andere tweedimensionale materialen en hun verschillende combinaties met elkaar geeft ons een rijke reeks mogelijkheden voor het ontwerpen van materialen met nooit eerder vertoonde eigenschappen."

Shahsavari is een assistent-professor civiele en milieutechniek en materiaalwetenschap en nano-engineering.