Hvordan man dyrker nanotråde og små plader

Forskere ved MIT har fundet en måde at kontrollere præcist formerne på submikroskopiske ledninger afsat fra en opløsning - ved hjælp af en metode, der gør det muligt at producere hele elektroniske enheder gennem en væskebaseret proces.

Holdet demonstrerede teknikken ved at producere en funktionel lysdiode (LED) array lavet af zinkoxid nanotråde i et enkelt bæger, i stedet for de adskillige separate trin og anordninger, der kræves til konventionel produktion. De var i stand til at gøre det under relativt godartede forhold, med moderate temperaturer og uden behov for vakuum.

I modsætning til større strukturer, med nanomaterialer — dem med dimensioner målt i nanometer, eller milliardtedele af en meter - forskelle i form kan føre til dramatiske forskelle i adfærd. "For nanostrukturer, der er en kobling mellem geometrien og de elektriske og optiske egenskaber, " forklarer Brian Chow, en postdoc ved MIT og medforfatter til et papir, der beskriver resultaterne, der blev offentliggjort den 10. juli i tidsskriftet Naturmaterialer . "At være i stand til at indstille geometrien er meget kraftfuldt, ” siger han. Det system, som Chow og hans kolleger udviklede, kan præcist styre aspektforholdet (forholdet mellem længde og bredde) af nanotrådene for at producere alt fra flade plader til lange tynde ledninger.

Der er andre måder at lave sådanne nanotråde på, siger Chow. "Folk har gjort et godt stykke arbejde med at kontrollere ledningernes morfologi på andre måder - ved hjælp af høje temperaturer, højt tryk, eller subtraktiv behandling. Men at være i stand til at gøre dette under disse godartede forhold er attraktivt, ” fordi det gør det muligt at integrere sådanne enheder med relativt skrøbelige materialer som polymerer og plastik, han siger.

Kontrol over ledningernes form har indtil nu i det væsentlige været en trial-and-error-proces. "Vi prøvede at finde ud af, hvad der er den kontrollerende faktor, ” forklarer Jaebum Joo PhD ’10, som var hovedforfatter af avisen.

Nøglen viser sig at være de elektrostatiske egenskaber af zinkoxidmaterialet, når det vokser fra en opløsning, de fandt. Forskellige forbindelser, når det tilsættes til opløsningen, binder sig elektrostatisk kun til visse dele af ledningen - kun til siderne, eller bare til enderne - hæmmer ledningens vækst i disse retninger. Mængden af ​​inhibering afhænger af de tilsatte forbindelsers specifikke egenskaber.

Mens dette arbejde blev udført med zinkoxid-nanotråde - et lovende materiale, der bliver undersøgt bredt af forskere - mener MIT-forskerne, at den metode, de udviklede til at kontrollere ledningernes form, "kan udvides til forskellige materialesystemer, " siger Joo, måske inklusive titaniumdioxid, som er ved at blive undersøgt for enheder som solceller. Fordi de godartede monteringsforhold gør det muligt at afsætte materialet på plastikoverflader, han siger, det kan muliggøre udviklingen af ​​fleksible skærmpaneler, for eksempel.

Men der er også mange potentielle anvendelser ved at bruge selve zinkoxidmaterialet, herunder produktion af batterier, sensorer, og optiske enheder. Og forarbejdningsmetoden har "potentialet for storskalaproduktion, " siger Joo.

Holdet håber også at kunne bruge metoden til at lave "rumligt komplekse enheder fra bunden og op, ud af biokompatible polymerer." Disse kunne bruges, for eksempel, at lave bittesmå enheder, der kunne implanteres i hjernen for at give både sansning og stimulering.

Ud over Joo og Chow, forskningen blev udført af gæsteforsker Manu Prakesh, sammen med Media Lab-lektorerne Edward Boyden og Joseph Jacobson. Det blev finansieret af MIT Center for Bits and Atoms; MIT Media Lab; Korea Foundation for Advanced Studies; Samsung elektronik; Harvard Society of Fellows; Wallace H. Coulter Early Career Award; NARSAD Young Investigator Award; National Science Foundation; og NIH Director's New Innovator Award.