Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben een reeks nieuwe enkelwandige nanobuisjes van overgangsmetaaldichalcogenide (TMD) ontwikkeld met verschillende samenstellingen, chiraliteit en diameters door boornitride-nanobuisjes te ontwerpen. Ze realiseerden ook ultradunne nanobuisjes die in de sjabloon groeiden, en maakten met succes composities op maat om een ​​familie van nieuwe nanobuisjes te creëren. Het vermogen om een ​​breed scala aan structuren te synthetiseren biedt unieke inzichten in hun groeimechanisme en nieuwe optische eigenschappen.

Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials .

De koolstofnanobuis is een wonder van de nanotechnologie. Het wordt gemaakt door een atomair dunne laag koolstofatomen op te rollen en heeft een uitzonderlijke mechanische sterkte en elektrische geleidbaarheid, naast een reeks andere exotische opto-elektronische eigenschappen, met potentiële toepassingen in halfgeleiders voorbij het siliciumtijdperk.

De belangrijkste kenmerken van koolstofnanobuisjes komen voort uit subtiele aspecten van hun structuur. Nanobuisjes hebben bijvoorbeeld, net als een stukje papier dat schuin is opgerold, vaak een chiraliteit, een 'handigheid' in hun structuur waardoor ze verschillen van hun spiegelbeeld. Dat is ook de reden waarom wetenschappers vooruitkijken naar materialen die verder gaan dan koolstof, wat een breder scala aan structuren mogelijk zou kunnen maken.

Eén focus ligt op overgangsmetaaldichalcogenide (TMD) verbindingen, gemaakt van overgangsmetalen en Groep 16-elementen. Er bestaat niet alleen een hele familie van TMD's, TMD's hebben kenmerken die niet voorkomen in koolstofnanobuisjes, zoals supergeleiding en fotovoltaïsche eigenschappen, waarbij blootstelling aan licht een spanning of stroom genereert.

Om het volledige potentieel van TMD's te kunnen benutten, moeten wetenschappers echter enkelwandige nanobuisjes kunnen maken in een verscheidenheid aan samenstellingen, diameters en chiraliteit, op een manier die ons in staat stelt hun individuele eigenschappen te bestuderen. Dit is een uitdaging gebleken:TMD-nanobuisjes vormen zich meestal in concentrische meerwandige structuren, waarbij elke laag een andere chiraliteit kan hebben. Dit maakt het bijvoorbeeld lastig om erachter te komen welk soort chiraliteit aanleiding geeft tot specifieke eigenschappen.

Nu heeft een team onder leiding van assistent-professor Yusuke Nakanishi van de Tokyo Metropolitan University een manier bedacht om precies dat te doen. Door boornitride-nanobuisjes als sjabloon te gebruiken, konden ze met succes een reeks enkelwandige TMD-nanobuisjes laten groeien door de vereiste elementen toe te voegen door blootstelling aan damp.

In eerder werk maakten ze enkelwandige nanobuisjes van molybdeensulfide. Door meer in detail naar individuele nanobuisjes te kijken, hebben ze nu een hele reeks enkelwandige buizen met verschillende diameters en chiraliteit onderscheiden. Concreet maten ze de "chirale hoeken" van individuele buizen die, samen met hun diameters, unieke chirale structuren bepalen.

Ze ontdekten voor het eerst dat de chirale hoeken van hun nanobuisjes willekeurig verdeeld waren:dit betekent dat ze toegang hebben tot het hele scala aan mogelijke hoeken, wat nieuwe inzichten belooft in de relatie tussen chiraliteit en elektronische toestanden, een belangrijke onopgeloste vraag in de veld. Er waren ook ultradunne buizen van slechts een paar nanometer breed die in de sjabloon waren gegroeid, en niet erbuiten, een uniek platform voor het waarnemen van kwantummechanische effecten.

Door hun recept aan te passen, is het team er nu ook in geslaagd om zowel het metaal als het chalcogeen om te wisselen, waardoor nanobuisjes van molybdeenselenide, wolfraamselenide en molybdeen-wolfraamsulfidelegeringen worden gemaakt. Ze maakten zelfs nanobuisjes met één element aan de buitenkant en een ander aan de binnenkant, nanobuisjes van het "Janus"-type, genoemd naar de god met twee gezichten uit de Romeinse mythologie.

De diverse nieuwe inzendingen van het team in de nanobuisjesfamilie beloven gedurfde nieuwe stappen in niet alleen ons begrip van TMD-nanobuisjes, maar ook in de manier waarop exotische eigenschappen voortkomen uit hun structuren.

Meer informatie: Yusuke Nakanishi et al., Structurele diversiteit van enkelwandige overgangsmetaaldichalcogenide nanobuisjes gekweekt via sjabloonreactie, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202306631

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Aangeboden door Tokyo Metropolitan University