Krystaldefekt har vist sig at være nøglen til fremstilling af hule nanorør

(PhysOrg.com) -- Forskere har ingen problemer med at lave et menageri af objekter på nanometerstørrelse -- ledninger, rør, bælter, og endda trælignende strukturer. Hvad de nogle gange ikke har været i stand til at gøre, er at forklare præcis, hvordan disse genstande dannes i de damp- og væskekedler, hvori de er lavet.

Nu et hold ledet af University of Wisconsin-Madison kemiker Song Jin, skriver i denne uge (23. april, 2010) i bladet Videnskab , viser, at en simpel krystaldefekt kendt som en "skrueforskydning" driver væksten af ​​hule zinkoxidnanorør, der kun er nogle få milliontedele centimeter tykke.

Fundet er vigtigt, fordi det giver ny indsigt i de processer, der styrer dannelsen af ​​de mindste fremstillede strukturer, en væsentlig udfordring inden for nanovidenskab og nanoteknologi. "Vi mener, at dette arbejde giver en generel teoretisk ramme til styring af nanotråd- eller nanorørvækst uden at bruge metalkatalysatorer, der generelt kan anvendes til mange materialer, " siger Jin, en UW-Madison professor i kemi.

Sådanne materialer og de lilliputske strukturer, som videnskabsmænd skulpturerer, har allerede fundet brede anvendelser inden for ting som elektronik, solenergi, batteri- og laserteknologi, og kemisk og biologisk sansning. Ved yderligere at udvide teorien om, hvordan de små strukturer dannes, det skulle nu være muligt for forskere at udvikle nye metoder til at masseproducere objekter i nanostørrelse ved hjælp af en række forskellige materialer.

Metoden beskrevet af Jin og hans kolleger afhænger af, hvad videnskabsmænd kalder en skrueforskydning. Dislokationer er fundamentale for væksten og egenskaberne af alle krystallinske materialer. Som deres navn antyder, disse defekter giver anledning til skabelsen af ​​spiraltrin på en ellers fejlfri krystalflade. Når atomer lyser på krystaloverfladen, de danner en struktur, der i udseende påfaldende ligner spiralramperne i parkeringskonstruktioner i flere etager. I tidligere arbejde, Jin og hans forskergruppe viste, at skrueforskydninger driver væksten af ​​endimensionelle nanotrådsstrukturer, der lignede bittesmå fyrretræer. At, siger Jin, var et kritisk fingerpeg for at forstå kinetikken af ​​spontan nanorørvækst.

Nøglen til at forstå, hvordan man udnytter defekten til at lave nanostrukturer på en rationel måde, Jin forklarer, er at vide, at når atomer samles på en overflade af en dislokationsspiral, belastning forbundet med skrueforskydninger opbygges i de små strukturer, de skaber.

Det viser sig, at "at gøre strukturen hul og få den til at vride sig er to gode måder at lindre sådanne belastninger og stress på, " Jin forklarer. "I nogle tilfælde, den store skrueforskydningsbelastningsenergi indeholdt i nanomaterialet dikterer, at materialet udhuler sit centrum omkring dislokationen, hvilket resulterer i den spontane dannelse af nanorør."

Fænomenet beskrevet i det nye Wisconsin-værk adskiller sig på væsentlige måder fra traditionelle mekanismer til fremstilling af hule nanostrukturer. Forskere bruger nu skabeloner til at "støbe" nanorør eller, alternativt, en diffusionsproces til at omdanne et materiale til et andet med en hul kerne. Carbon nanorør er lavet, i det væsentlige, ved at rulle et enkelt bikagemønstret lag af kulstofatomer sammen.

Fænomenerne beskrevet af Wisconsin-holdet, Jin tilføjer, bør gælde for materialer ud over zinkoxid:"Forståelsen af ​​dannelsen af ​​nanorør vil helt sikkert hjælpe os til at forstå relaterede fænomener i andre materialer."

Raffineret, den nye viden kunne i sidste ende vendes til den store skala, lavprisproduktion af nanomaterialer til en bred vifte af applikationer. Mest lovende, siger Jin, er området for vedvarende energi, hvor store mængder af sådanne materialer kan anvendes til at omdanne sollys til elektricitet, og levere nye råmaterialer til batterielektroder og termoelektriske enheder.