Koolstofnanospoelen (CNC's) zijn een exotische klasse van laagdimensionale nanokoolstoffen, waarvan de spiraalvorm ze geschikt kan maken voor toepassingen zoals microgolfabsorbers en verschillende mechanische componenten zoals veren. Typische diktes en spoeldiameters van CNC's vallen binnen het bereik van 100-400 nm en 400-1000 nm, respectievelijk, en hun volledige lengte is veel groter, in de orde van enkele tientallen micrometers. Ondanks eerder pionierswerk, de relaties tussen de geometrische vorm van natuurlijke CNC's en hun mechanische en elektrische eigenschappen, met name de elektrische weerstand, worden niet goed begrepen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Toyohashi Tech, Universiteit van Yamanashi, Nationaal Instituut voor Technologie, Gifu-college, en Tokai Carbon Co., Ltd. hebben vastgesteld dat de soortelijke weerstand van CNC's toeneemt met de spoeldiameter. Dit vereiste de ontwikkeling van een nauwkeurige meetmethode voor de weerstand, met behulp van een gefocusseerde ionenstraal (FIB) en nanomanipulatortechniek om een ​​voorbeeld-CNC met de gewenste spoelgeometrie te selecteren en vervolgens stevige elektrische verbindingen te maken met de elektroden van het instrument. Alle resistiviteitsgegevens die met CNC's werden verkregen, waren goed gefit door een curve voorspeld door een theorie die bekend staat als variabel bereik-hopping (VRH), die geschikt is voor ongeordende materialen bij lage temperaturen.

Uit het onderzoek blijkt dat de binnenkant van de nanocoil materiaal bevat dat de elektrische eigenschappen aantast. De wetenschappers onderzochten 15 individuele CNC's, en drie CNC's die kunstmatig waren gegrafitiseerd om ze een lagere soortelijke weerstand (G-CNC's) te geven. Hoewel de soortelijke weerstand van de CNC's toenam met de spoeldiameter, het was bijna onveranderd voor de G-CNC's. Als gevolg hiervan, voor de CNC's met de grootste diameters, de soortelijke weerstand was bijna twee orden van grootte groter dan die van de gegrafitiseerde versies. Deze grote discrepantie in de soortelijke weerstand tussen CNC's en G-CNC's duidt op een aanzienlijke structurele complexiteit binnen de CNC's. Onze resultaten impliceren dat het interieur van CNC's met een grote spoeldiameter is gevuld met een zeer ongeordend koolstofnetwerk dat bestaat uit vele kleine regio's (bekend als sp2-domeinen) ingebed in een zee van amorfe koolstof. Om deze theorie te verifiëren, de temperatuurafhankelijkheid van de soortelijke weerstand tussen 4 K en 280 K werd onderzocht. De weerstandsgegevens gehoorzaamden aan twee verschillende versies van de VRH-theorie; het regime in het temperatuurbereik van 50-280 K bleek de zogenaamde Mott-VRH-versie te zijn, terwijl dat in het bereik van 4-20 K de Efros-Shklovskii-VRH-versie was. interessant, de weerstandscurven verschoven soepel tussen regimes als de spoeldiameter werd gewijzigd.

"Dit gedrag hebben we drie jaar geleden geconstateerd. Dankzij de inspanningen van twee studenten, we hebben de weerstandsgegevens voor G-CNC's en rechte koolstofnanovezels (CNF's) opgenomen, en vergeleek ze met de gegevens voor de CNC's", legt universitair hoofddocent Yoshiyuki Suda uit, "Ik ben zo blij dat Prof. Hiroyuki Shima en Dr. Tamio Iida zich bij dit onderzoek hebben aangesloten. We hebben de meetgegevens bij lage temperaturen verkregen en besproken met behulp van de VRH-theorie. Uiteindelijk, we kwamen tot de conclusie dat dit gedrag een uniek fenomeen is voor CNC's en door VRH kan worden gemonteerd."

De eerste auteur, Masterstudent Yasushi Nakamura, becommentarieerde hoe ze verder gingen dan de CNC-weerstandsmetingen van andere groepen. "Het was een lange en uitdagende taak. Ik moest veel enkele CNC-monsters voorbereiden met behulp van een gefocusseerd ionenstraalapparaat. Onze bevinding werd bereikt door een nauwkeurig meetsysteem op te zetten met behulp van een scanning-elektronenmicroscoop en resistiviteitsgegevens te verzamelen voor veel afzonderlijke CNC's."

De huidige resultaten van de groep over soortelijke weerstand zijn in kwalitatieve overeenstemming met hun eerdere bevindingen over de mechanische eigenschappen van CNC's:experimenten met trekbelasting toonden aan dat hun afschuifmodulus toeneemt met de spoeldiameter. De positieve correlatie tussen de afschuifmodulus en de spoeldiameter wordt mogelijk veroorzaakt door het feit dat in CNC's met grote diameter, de populatie van sp2-domeinen, die breekbaar zijn tegen schuifspanning, wordt gereduceerd in vergelijking met CNC's met een kleine diameter.

Deze resultaten impliceren dat, met nanospoelen, zowel de weerstand als de inductantie worden bepaald door geometrische factoren. Vooral, spoeldiameter, toonhoogte, en lengte zijn belangrijk. De gevonden correlatie kan worden gebruikt om de controle over de piekfrequentie van de absorptie van elektromagnetische golven te verbeteren, waarin een bepaald frequentiebereik (~GHz) wordt geabsorbeerd, afhankelijk van de impedantie-eigenschappen.

Deze bevindingen maken de weg vrij voor op CNC gebaseerde nanodevices, variërend van elektromagnetische golfabsorbers tot nano-solenoïden en extra gevoelige mechanische veren.