Chirale materialen interageren met licht op zeer precieze manieren die nuttig zijn voor het bouwen van betere beeldschermen, sensoren en krachtigere apparaten. Technische eigenschappen zoals chiraliteit die op betrouwbare wijze op grote schaal kunnen worden uitgevoerd, vormen echter nog steeds een aanzienlijke uitdaging in de nanotechnologie.

Wetenschappers van Rice University in het laboratorium van Junichiro Kono hebben twee manieren ontwikkeld om synthetische chirale koolstofnanobuisjes (CNT) op waferschaal te maken, uitgaande van achirale mengsels. Dat blijkt uit een onderzoek gepubliceerd in Nature Communications , kunnen de resulterende 'tornado' en 'gedraaide en gestapelde' dunne films de ellipticiteit (een eigenschap van gepolariseerd licht) beheersen tot een niveau en in een bereik van het spectrum dat voorheen grotendeels buiten bereik lag.

"Deze benaderingen hebben ons de mogelijkheid gegeven om doelbewust en consequent chiraliteit te introduceren in materialen die deze eigenschap tot nu toe niet op macroscopische schaal vertoonden", zegt Jacques Doumani, een afgestudeerde student in toegepaste natuurkunde aan Rice en de hoofdauteur van het boek. studie. "Onze methoden leveren dunne, flexibele films op met instelbare chirale eigenschappen."

CNT’s – holle cilindrische structuren gemaakt van koolstofatomen – bezitten opmerkelijke elektrische, mechanische, thermische en optische eigenschappen. Een enkelwandige CNT heeft een diameter die ongeveer 100.000 keer kleiner is dan die van een enkele menselijke haar.

Het probleem is dat de meeste manieren om CNT's in grotere hoeveelheden te maken, wat nodig is voor gebruik in talloze toepassingen, doorgaans heterogene, wanordelijke nanobuissamenstellen opleveren. Dergelijke willekeurige architecturen verminderen de algehele prestaties van een materiaal.

Het vermogen om voldoende grote hoeveelheden films te maken waarin de nanobuisjes dezelfde diameter en oriëntatie hebben, zou innovatie in een breed scala aan domeinen kunnen stimuleren, van informatiesystemen tot medische of energietoepassingen.

"In eerder onderzoek hebben we aangetoond dat onze vacuümfiltratietechniek een vrijwel perfecte uitlijning van koolstofnanobuisjes op significante schaal kan bereiken", zegt Kono, de Karl F. Hasselmann Professor in Engineering, hoogleraar elektrische en computertechniek en materiaalkunde en nano-engineering en één van de onderzoekers. van de hoofdonderzoekers van het artikel. "Dit onderzoek stelt ons in staat om dat werk in een opwindende nieuwe richting te sturen door chiraliteit te introduceren."

De ontdekking dat beweging een chirale draai aan een ordelijke CNT-opstelling kon geven, gebeurde geheel toevallig.

"Het was, letterlijk, een onverwachte wending," zei Doumani, terwijl hij vertelde hoe een wankele pomp, geplaatst op dezelfde tafel als het vacuümfiltratiesysteem, onbedoelde trillingen veroorzaakte die de laag uitgelijnde CNT's in een tornado-achtige spiraal wonden.

"Deze trillingen hadden een diepgaande invloed op de architectuur van de geassembleerde koolstofnanobuisjes, wat ons ertoe aanzette dit nieuwe fenomeen verder te onderzoeken en te verfijnen", zei hij. "Deze toevallige ontdekking stelde ons in staat te erkennen dat we koolstofnanobuis-architecturen met gewenste eigenschappen kunnen ontwerpen door de rotatiehoeken en schudomstandigheden aan te passen."

Kono vergeleek de resulterende chirale symmetrie van de CNT-assemblages met een 'kunstwerk'.

"Ik ben bijzonder trots op Jacques voor het nastreven van de ontdekking dat we filtratie en schudden van koolstofnanobuisjes kunnen combineren om de kenmerken van deze films op wafelschaal af te stemmen," zei Kono.

De tweede methode om chiraliteit te bereiken was het stapelen van sterk uitgelijnde CNT-films onder een hoek door het aantal lagen en de draaihoeken te regelen.

"We hebben een opmerkelijke mijlpaal bereikt in het diepe ultraviolette bereik, waar we een nieuw record voor ellipticiteit hebben gevestigd", zei Doumani. "Bovendien is onze techniek, vergeleken met concurrenten op dit gebied, heel eenvoudig in te stellen. We hebben geen complex systeem nodig om deze films te maken."

De technieken kunnen worden gebruikt om materialen te ontwikkelen voor nieuwe opto-elektronische apparaten, zoals LED's, lasers, zonnecellen en fotodetectoren. Het is ook een opstelling die mogelijk kan worden gebruikt om chirale film op wafelschaal te maken met behulp van andere nanomaterialen zoals boornitride-nanobuisjes en wolfraamdiselenide-nanobuisjes.

"Deze ontdekking is veelbelovend voor verschillende toepassingen", zei Doumani. “In de farmaceutische en biogeneeskunde biedt het potentieel op het gebied van biosensoren, diepzeebeeldvorming en het identificeren van nuttige verbindingen. Op het gebied van communicatie zou het de detectie van raketten kunnen verbeteren, communicatiekanalen kunnen beveiligen en de anti-interferentiemogelijkheden kunnen versterken. Op het gebied van kwantumcomputing maakt het de weg vrij voor meer deterministische foton-emitterkoppeling.

"We zijn blij om deze techniek ook uit te breiden naar andere soorten nanomaterialen."

Meer informatie: Jacques Doumani et al., Chiraliteit op waferschaal ontwerpen met geordende architectuur van koolstofnanobuisjes, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43199-x

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Rice University