Wetenschappers van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy hebben een manier ontdekt om diamantoïden - de kleinst mogelijke stukjes diamant - te gebruiken om atomen te assembleren tot de dunst mogelijke elektrische draden, slechts drie atomen breed.

Door verschillende soorten atomen te pakken en in LEGO-stijl in elkaar te zetten, de nieuwe techniek kan mogelijk worden gebruikt om kleine draden te bouwen voor een breed scala aan toepassingen, inclusief stoffen die elektriciteit opwekken, opto-elektronische apparaten die zowel elektriciteit als licht gebruiken, en supergeleidende materialen die elektriciteit zonder verlies geleiden. De wetenschappers rapporteerden hun resultaten vandaag in Natuurmaterialen .

"Wat we hier hebben laten zien, is dat we kleine, geleidende draden van de kleinst mogelijke afmeting die in wezen zichzelf assembleren, " zei Hao Yan, een postdoctoraal onderzoeker van Stanford en hoofdauteur van het artikel. "Het proces is een eenvoudig, eenpotssynthese. Je gooit de ingrediënten bij elkaar en je hebt binnen een half uur resultaat. Het is bijna alsof de diamantoïden weten waar ze heen willen."

Hoe kleiner hoe beter

Hoewel er andere manieren zijn om materialen zelf in elkaar te zetten, dit is de eerste die een nanodraad maakt met een vaste, kristallijne kern met goede elektronische eigenschappen, zei studie co-auteur Nicholas Melosh, een universitair hoofddocent bij SLAC en Stanford en onderzoeker bij SIMES, het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences bij SLAC.

De naaldachtige draden hebben een halfgeleidende kern - een combinatie van koper en zwavel bekend als een chalcogenide - omgeven door de aangehechte diamandoïden, die een isolerende schil vormen.

Hun minuscule grootte is belangrijk, Melosh zei, omdat een materiaal dat in slechts één of twee dimensies bestaat - als stippen op atomaire schaal, draden of platen - kunnen heel verschillend zijn, buitengewone eigenschappen in vergelijking met hetzelfde materiaal dat in bulk wordt gemaakt. De nieuwe methode stelt onderzoekers in staat om die materialen te assembleren met atoom-voor-atoom precisie en controle.

De diamantoïden die ze als assemblagegereedschap gebruikten, zijn klein, in elkaar grijpende kooien van koolstof en waterstof. Van nature aangetroffen in aardolievloeistoffen, ze worden geëxtraheerd en gescheiden door grootte en geometrie in een SLAC-laboratorium. In het afgelopen decennium is een SIMES-onderzoeksprogramma onder leiding van Melosh en SLAC/Stanford Professor Zhi-Xun Shen heeft een aantal mogelijke toepassingen voor de kleine diamanten gevonden, waaronder het verbeteren van elektronenmicroscoopbeelden en het maken van kleine elektronische gadgets.

Constructieve attractie

Voor deze studie is het onderzoeksteam profiteerde van het feit dat diamantoïden sterk tot elkaar worden aangetrokken, door wat bekend staat als van der Waals-krachten. (Deze aantrekkingskracht zorgt ervoor dat de microscopisch kleine diamandoïden samenklonteren tot suikerachtige kristallen, dat is de enige reden waarom je ze met het blote oog kunt zien.)

Ze begonnen met de kleinst mogelijke diamandoïden - enkele kooien die slechts 10 koolstofatomen bevatten - en bevestigden aan elk een zwavelatoom. Drijvend in een oplossing, elk zwavelatoom gebonden met een enkel koperion. Zo ontstond de basisbouwsteen voor nanodraad.

De bouwstenen dreven toen naar elkaar toe, getekend door de van der Waals aantrekkingskracht tussen de diamantoïden, en bevestigd aan de groeiende punt van de nanodraad.

"Net zoals LEGO-blokken, ze passen alleen bij elkaar op bepaalde manieren die worden bepaald door hun grootte en vorm, " zei Fei Hua Li, afgestudeerde student aan Stanford, die een cruciale rol speelden bij het synthetiseren van de kleine draden en het uitzoeken hoe ze groeiden. "De koper- en zwavelatomen van elke bouwsteen wikkelden zich in het midden, vormen de geleidende kern van de draad, en de grotere diamandoïden kwamen aan de buitenkant terecht, het vormen van de isolerende schaal."

Een veelzijdige toolkit voor het maken van nieuwe materialen

Het team heeft al diamandoïden gebruikt om eendimensionale nanodraden te maken op basis van cadmium, zink, ijzer en zilver, waaronder enkele die lang genoeg groeiden om te zien zonder een microscoop, en ze hebben geëxperimenteerd met het uitvoeren van de reacties in verschillende oplosmiddelen en met andere soorten starre, kooi-achtige moleculen, zoals carboranen.

De op cadmium gebaseerde draden zijn vergelijkbaar met materialen die worden gebruikt in opto-elektronica, zoals light-emitting diodes (LED's), en de op zink gebaseerde zijn zoals die worden gebruikt in zonne-energietoepassingen en in piëzo-elektrische energiegeneratoren, die beweging omzetten in elektriciteit.

"Je kunt je voorstellen dat je die tot stoffen weeft om energie op te wekken, Melosh zei. "Deze methode geeft ons een veelzijdige toolkit waar we kunnen sleutelen aan een aantal ingrediënten en experimentele omstandigheden om nieuwe materialen te creëren met fijn afgestemde elektronische eigenschappen en interessante fysica."

Theoretici onder leiding van SIMES-directeur Thomas Devereaux modelleerden en voorspelden de elektronische eigenschappen van de nanodraden, die werden onderzocht met röntgenstralen bij SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, om hun structuur en andere kenmerken te bepalen.