Små filamenter og cylindre undersøgt for mulige anvendelser i energi, elektronik, optik og andre områder

Nanotråde og nanorør, slanke strukturer, der kun er nogle få milliardtedele meter i diameter, men mange tusinde eller millioner gange længere, er blevet varme materialer i de senere år. De findes i mange former - lavet af metaller, halvledere, isolatorer og organiske forbindelser - og bliver undersøgt til brug i elektronik, energiomdannelse, optik og kemisk sansning, blandt andre felter.

Den første opdagelse af kulstofnanorør - bittesmå rør af rent kulstof, i det væsentlige ark af grafen rullet op til en cylinder - er generelt krediteret til et papir udgivet i 1991 af den japanske fysiker Sumio Ijima (selvom nogle former for kulstofnanorør var blevet observeret tidligere). Næsten med det samme, der var en eksplosion af interesse for denne eksotiske form for et almindeligt materiale. Nanotråde - faste krystallinske fibre, snarere end hule rør - vandt lignende fremtræden et par år senere.

På grund af deres ekstreme slankhed, både nanorør og nanotråde er i det væsentlige endimensionelle. "De er kvasi-endimensionelle materialer, " siger MIT lektor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab Silvija Gradečak:"To af deres dimensioner er på nanometerskalaen." Denne endimensionalitet giver karakteristiske elektriske og optiske egenskaber.

For én ting, det betyder, at elektronerne og fotonerne i disse nanotråde oplever "kvanteindeslutningseffekter, " siger Gradečak. Og alligevel, i modsætning til andre materialer, der producerer sådanne kvanteeffekter, såsom kvanteprikker, nanotrådes længde gør det muligt for dem at forbinde med andre makroskopiske enheder og omverdenen.

Strukturen af ​​en nanotråd er så enkel, at der ikke er plads til defekter, og elektroner passerer uhindret igennem, Gradečak forklarer. Dette omgår et stort problem med typiske krystallinske halvledere, såsom dem, der er lavet af en wafer af silicium:Der er altid defekter i disse strukturer, og disse defekter forstyrrer passagen af ​​elektroner.

Lavet af forskellige materialer, nanotråde kan "dyrkes" på mange forskellige substrater gennem en dampaflejringsproces. Små perler af smeltet guld eller andre metaller aflejres på en overflade; nanotrådsmaterialet, i damp, absorberes derefter af det smeltede guld, i sidste ende vokser fra bunden af ​​den perle som en tynd søjle af materialet. Ved at vælge størrelsen på metalperlen, det er muligt præcist at kontrollere størrelsen af ​​den resulterende nanotråd.

Ud over, materialer, der normalt ikke blandes let, kan dyrkes sammen i nanotrådform. For eksempel, lag af silicium og germanium, to udbredte halvledere, "er meget svære at vokse sammen i tynde film, " siger Gradečak. "Men i nanotråde, de kan dyrkes uden problemer." det nødvendige udstyr til denne form for dampaflejring er meget udbredt i halvlederindustrien, og kan nemt tilpasses til produktion af nanotråde.

Mens nanotrådes og nanorørs diametre er ubetydelige, deres længde kan strække sig over hundreder af mikrometer, endda når længder synlige for det blotte øje. Intet andet kendt materiale kan producere så ekstreme længde-til-diameter-forhold:millioner af gange længere, end de er brede.

På grund af dette, ledningerne har et ekstremt højt forhold mellem overfladeareal og volumen. Det gør dem meget gode som detektorer, fordi alt det overfladeareal kan behandles til at binde med specifikke kemiske eller biologiske molekyler. Det elektriske signal, der genereres af denne binding, kan derefter nemt overføres langs ledningen.

Tilsvarende nanotrådes form kan bruges til at producere smalstrålende lasere eller lysemitterende dioder (LED'er), Gradečak siger. Disse små lyskilder kan en dag finde anvendelser inden for fotoniske chips, for eksempel - chips, hvori information er båret af lys, i stedet for de elektriske ladninger, der videregiver information i nutidens elektronik.

Sammenlignet med solide nanotråde, nanorør har en mere kompleks struktur:i det væsentlige ét atom-tykke plader af rent kulstof, med atomerne arrangeret i et mønster, der ligner hønsenet. De opfører sig på mange måder som endimensionelle materialer, men er faktisk hule rør, som en lang, nanometer-skala sugerør.

Kulstofnanorørs egenskaber kan variere meget afhængigt af, hvordan de er rullet sammen, en egenskab kaldet chiralitet. (Det svarer til forskellen mellem at danne et papirrør ved at rulle et ark papir i længderetningen versus på diagonalen:De forskellige justeringer af fibre i papiret giver forskellig styrke i de resulterende rør.) I tilfælde af kulstofnanorør, chiralitet kan afgøre, om rørene opfører sig som metaller eller som halvledere.

Men i modsætning til den præcise produktionskontrol, der er mulig med nanotråde, hidtil producerer metoder til fremstilling af nanorør en tilfældig blanding af typer, som skal sorteres for at gøre brug af én bestemt slags. Udover enkeltvæggede nanorør, de findes også i dobbeltvæggede og flervæggede former.

Ud over deres nyttige elektroniske og optiske egenskaber, kulstof nanorør er usædvanligt stærke, og bruges som forstærkende fibre i avancerede kompositmaterialer. "I enhver applikation, hvor endimensionalitet er vigtig, både kulstof nanorør og nanotråde ville give fordele, " siger Gradečak.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.