Een eenvoudig filtratieproces hielp Rice University-onderzoekers om flexibele, films op wafelschaal van sterk uitgelijnde en dicht opeengepakte koolstofnanobuisjes.

Wetenschappers van Rice, met steun van het Los Alamos National Laboratory, inch-brede films hebben gemaakt van dicht opeengepakte, met chiraliteit verrijkte enkelwandige koolstofnanobuisjes door middel van een proces dat vandaag is onthuld in Natuur Nanotechnologie .

In de juiste oplossing van nanobuisjes en onder de juiste omstandigheden, de buizen assembleren zichzelf bij miljoenen in lange rijen die beter zijn uitgelijnd dan ooit voor mogelijk werd gehouden, meldden de onderzoekers.

De dunne films bieden mogelijkheden voor het maken van flexibele elektronische en fotonische (lichtmanipulerende) apparaten, zei Rijstfysicus Junichiro Kono, wiens lab de studie leidde. Denk aan een buigbare computerchip, in plaats van een broze siliconen, en het potentieel wordt duidelijk, hij zei.

"Als we eenmaal centimetergrote kristallen hebben die bestaan ​​uit nanobuisjes met een enkele chiraliteit, dat is het, "Zei Kono. "Dat is de heilige graal voor dit veld. De laatste 20 jaar, mensen zijn hier naar op zoek geweest."

Het Rice-lab komt dichterbij, hij zei, maar de films die in het huidige artikel worden vermeld, zijn "verrijkt met chiraliteit" in plaats van enkelvoudige chiraliteit. Een koolstofnanobuis is een cilinder van grafeen, met zijn atomen gerangschikt in zeshoeken. Hoe de zeshoeken worden gedraaid, bepaalt de chiraliteit van de buis, en dat bepaalt zijn elektronische eigenschappen. Sommige zijn halfgeleidend zoals silicium, en andere zijn metalen geleiders.

Een film van perfect uitgelijnde, nanobuisjes met enkele chiraliteit zouden specifieke elektronische eigenschappen hebben. Het beheersen van de chiraliteit zou afstembare films mogelijk maken, Kono zei, maar nanobuisjes groeien in batches van willekeurige typen.

Voor nu, de Rice-onderzoekers gebruiken een eenvoudig proces dat is ontwikkeld aan het National Institute of Standards and Technology om nanobuisjes te scheiden door chiraliteit. Hoewel niet perfect, het was goed genoeg om de onderzoekers verrijkte films te laten maken met nanobuisjes van verschillende soorten en diameters en vervolgens terahertz-polarisatoren en elektronische transistors te maken.

Het Rice-lab ontdekte de filtratietechniek eind 2013 toen afgestudeerde studenten en hoofdauteurs Xiaowei He en Weilu Gao per ongeluk een beetje te veel water aan een suspensie van oppervlakteactieve nanobuisjes toevoegden voordat ze het door een filter voerden dat werd ondersteund door vacuüm. (Oppervlakteactieve stoffen zorgen ervoor dat nanobuisjes in een oplossing niet klonteren.)

De film die zich op het papieren filter vormde, droeg verder onderzoek. "Weilu controleerde de film met een scanning elektronenmicroscoop en zag iets vreemds, " Hij zei. In plaats van willekeurig op het papier te laten vallen als oppakstokjes, de nanobuisjes - miljoenen van hen - waren dicht bij elkaar gekomen, uitgelijnde rijen.

"Die eerste foto gaf ons een aanwijzing dat we misschien iets totaal anders hebben, " Hij zei. Een jaar en meer dan 100 films later, de studenten en hun collega's hadden hun techniek verfijnd om nanobuiswafels te maken tot een centimeter breed (alleen beperkt door de grootte van hun apparatuur) en van elke dikte, van enkele tot honderden nanometers.

Verdere experimenten toonden aan dat elk element ertoe deed:het type filterpapier, de vacuümdruk en de concentratie van nanobuisjes en oppervlakteactieve stof. Nanobuisjes van elke chiraliteit en diameter werkten, maar elk vereiste aanpassingen aan de andere elementen om de uitlijning te optimaliseren.

De films kunnen van het papier worden gescheiden en voor gebruik worden gewassen en gedroogd, aldus de onderzoekers.

Ze vermoeden dat meerwandige koolstofnanobuizen en niet-koolstofnanobuizen zoals boornitride ook zouden werken.

Co-auteur Wade Adams, een senior fellow bij Rice die gespecialiseerd is in polymeerwetenschap, zei dat de ontdekking een stap voorwaarts is in een lange zoektocht naar uitgelijnde structuren.

"Ze vormden wat een monodomein wordt genoemd in vloeibaar-kristaltechnologie, waarin alle starre moleculen in dezelfde richting staan, ' zei Adams. 'Het is verbazingwekkend. (Wijlen Rice Nobelprijswinnaar) Rick Smalley en ik hebben jarenlang heel hard gewerkt om een ​​enkel kristal van nanobuisjes te maken, maar deze studenten hebben het echt gedaan op een manier die we ons nooit hadden kunnen voorstellen."

Waarom staan ​​de nanobuisjes in een rij? Kono zei dat het team nog steeds de mechanica van nucleatie onderzoekt, dat wil zeggen, hoe de eerste paar nanobuisjes op het papier bij elkaar komen. "We denken dat de nanobuisjes eerst willekeurig vallen, maar ze kunnen nog steeds over het papier schuiven, " zei hij. "Van der Waals kracht brengt ze samen, en ze zoeken van nature hun laagste energietoestand, die op één lijn ligt." Omdat de nanobuisjes in lengte variëren, de onderzoekers vermoeden dat de overhangen andere buizen dwingen om op één lijn te komen terwijl ze zich bij de array voegen.

De onderzoekers ontdekten dat hun voltooide films van een patroon konden worden voorzien met standaard lithografietechnieken. Dat is nog een pluspunt voor fabrikanten, zei Kono, die maanden voor de publicatie van de krant geruchten over de ontdekking begon te horen.

"Ik gaf een uitgenodigde lezing over ons werk op een conferentie over koolstofnanobuisjes, en veel mensen proberen al onze resultaten te reproduceren, " zei hij. "Ik kreeg zo veel enthousiaste reacties direct na mijn lezing. Iedereen vroeg om het recept."