Wetenschappers van de Tokyo Metropolitan University hebben het mechanisme ontdekt achter de snelle groei van ultradunne nanodraden of 'snorharen' in organische verbindingen. Nanodraden zijn zowel een wenselijke technologische innovatie als een gevaar wanneer ze elektronica kortsluiten:begrijpen hoe ze groeien is cruciaal voor toepassingen. Vreemd genoeg bleken filamenten te groeien vanaf grote kristallijne fronten door gasbellen te volgen. Belangrijk is dat sporenonzuiverheden bellenvorming en snorhaargroei kunnen onderdrukken, waardoor controle over de kristalstructuur mogelijk is.

Nanodraden zijn ultradunne filamenten van kristallijn materiaal die veelbelovende nieuwe toepassingen in elektronica, katalyse en energieopwekking beloven. Ze kunnen ook spontaan groeien waar ze niet gewenst zijn, waarbij ze isolerende barrières overbruggen en elektronische circuits kortsluiten. Grip krijgen op hoe ze groeien is een belangrijk technologisch probleem, maar het exacte mechanisme blijft onbekend.

Een team bestaande uit professor Rei Kurita, assistent-professor Marie Tani en Takumi Yashima van de Tokyo Metropolitan University heeft gekeken naar kristalgroei in o-terfenyl en salol, beide typische organische verbindingen die snorhaarkristallen vertonen, de snelle groei van dunne filamenten van fronten van kristallijn materiaal bij afkoeling. Bij nadere inspectie ontdekten ze dat elk filament een kleine luchtbel aan de punt had. Ze slaagden erin aan te tonen dat deze bubbel niet alleen een onzuiverheid was of gewoon vermengd met lucht, maar een kleine gascapsule van dezelfde organische verbinding. In plaats van dat moleculen in de vloeistof zich eenvoudig op een groeiend front afzetten, zoals bij normale kristalgroei, werd het overgebracht naar het gas in de bel voordat het aan de punt van de gloeidraad werd bevestigd, een heel ander beeld dan het standaardbeeld van bevriezen in vloeistoffen. Dit leidde tot een ongekend snelle groei die ook kon worden gereproduceerd in dunne glazen capillairen voor een meer gecontroleerde groei van nanodraden.

Het team richtte zich op de bellenvorming zelf en ontdekte dat het grote dichtheidsverschil tussen kristal en vloeistof in deze verbindingen een rol speelde. Door de experimenten te herhalen in andere vloeistoffen die niet zo'n groot verschil hadden, vonden ze geen snorhaargroei. Ze redeneerden dat het kristallijne front vatbaar was voor grote inhomogeniteiten in de dichtheid, wat uiteindelijk leidde tot cavitatie, de spontane vorming van gasbellen die vervolgens snorharen voortbrengen.

Na ontdekt te hebben wat de filamentgroei veroorzaakte, begon het team enige controle over het fenomeen te krijgen door de vorming van bellen te onderdrukken. Ze voegden een kleine hoeveelheid onzuiverheid toe aan het materiaal om cavitatie te onderdrukken. En ja hoor, toen de bellen verdwenen, verdwenen ook de snorharen, waardoor de langzamere maar zonder snorhaar groei van grote brokken uniform kristallijn materiaal mogelijk was.

Met een ongekende afstembaarheid en een goed begrip van de fysica achter het proces, belooft het werk van het team nieuwe benaderingen om nanofilamenten te kweken voor technologische toepassingen, en verschillende strategieën om elektronica en batterijen te beschermen tegen potentieel gevaarlijke kortsluitingen veroorzaakt door snorhaarkristallen. Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten . + Verder verkennen

Een nieuwe methode om lithiumdendrieten te bestuderen zou kunnen leiden tot betere, veiligere batterijen