Forskere udvikler nogle af verdens mindste metalliske nanorods

(Phys.org) — To forskere på kandidatniveau på School of Engineering har dyrket nogle af verdens mindste metalliske nanorods; et betydeligt videnskabeligt gennembrud, som deres fakultetsrådgiver siger, er et vidnesbyrd om UConns robuste kandidatuddannelser.

Arbejder under vejledning af professor Hanchen Huang, postdoc-forsker Xiaobin Niu og ph.d. kandidat Stephen Stagon brød ny vej, da de udviklede den teoretiske ramme for metallisk nanorodvækst ved hjælp af en proces kendt som fysisk dampaflejring.

Forskerne brugte derefter den viden til med succes at dyrke ædelmetal nanorods 10 nanometer i diameter, som er de mindste nogensinde registreret ved brug af fysisk dampaflejring. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve , verdens førende fysiktidsskrift.

"Dette åbner virkelig døren for et væld af teknologier, " siger Huang, UConns Connecticut Clean Energy Fund professor i bæredygtig energi og undersøgelsens seniorforfatter. "Uden den teoretiske ramme, vi ville ikke have været i stand til at lave disse små nanorods, fordi vi ikke havde nogen videnskabelig vejledning. Denne viden bør have en stor teknologisk indvirkning inden for elektronik, energi, og fremstilling."

Ædelmetal nanorods - nanorods lavet af metaller, der er modstandsdygtige over for korrosion og oxidation - kan bruges i mikroelektronik, forsyne alt fra solceller til mobiltelefoner. Tidligere, den minimale diameter af metalliske nanorods var teoretisk ukendt, så der var ikke noget klart mål for eksperimenter og ingen indsigt i, hvordan man skulle nærme sig målet. Mens nogle forskere har dyrket metalliske nanorods mindre end 50 nanometer i diameter, deres succes var i vid udstrækning baseret på tilfældigheder, observation, og anekdotiske beviser. Der var problemer med pålideligt at duplikere processen for forskellige materialer, og stængerne smeltede ofte sammen og blev til en film, når deres diametre krympede tæt på 10 nanometer-området.

Udvikling af en lukket teori for metallisk nanorodvækst er kulminationen på 10 års arbejde for Huang, som løbende er blevet støttet af forskningsbevillinger fra US Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences Core-program. De vedvarende bevillinger er designet til at støtte grundforskning, der hjælper videnskabsmænd med bedre at forstå, forudsige, og i sidste ende styre stof og energi på det elektroniske, atomar, og molekylære niveauer.

Niu brugte mere end et år på at fastlægge de videnskabelige egenskaber ved nanorodernes vækst gennem matematisk formulering og beregningsmodellering, lag omhyggeligt atomer på atomer for at se, hvilken proces der fungerede bedst. Stagon, i mellemtiden, udførte ledsagende valideringseksperimenter ved UConn, samt på Center for Integrated Nanotechnologies på Los Alamos National Laboratory.

Et nøgleøjeblik kom, da holdet opdagede, at en langvarig klassisk teori for nanorodvækst var mangelfuld. Teorien mente, at kun enkeltlags overfladetrin var stabile, og flere lags overfladetrin var ikke, fører til umuligheden af ​​ekstremt lille nanorodvækst inden for den tidligere teori. Men Huang, Niu, og Stagon fandt lige det modsatte, at flerlags overfladetrin er kinetisk stabile, og de dikterer, hvordan efterfølgende lag af adatomer placerer sig selv - en nøgleudvikling til fremstilling af ædelmetal nanorods på 10 nanometer i diameter eller mindre.

Ved at ændre andre vækstbetingelser, såsom typen af ​​substrat, aflejringsvinklen, og den anvendte temperatur i processen, forskerholdet var i stand til at dyrke nanorods, der var cirka 10 nanometer i diameter og klart adskilt fra hinanden, en anden vigtig egenskab, der hjælper med at aktivere deres præstationer.

"Når du producerer metalliske nanorods på 10 nanometer i diameter eller mindre, nanoeffekter tager over, og du begynder at drage fordel af de egenskaber i nanoskala, som alle skriver om og taler om, " siger Stagon, en indfødt i Connecticut, som var en af ​​de bedste studerende i sin UConn Mechanical Engineering-klasse, da han dimitterede i 2009. Stagon er også modtager af et prestigefyldt føderalt Graduate Assistance in Areas of National Need (GAANN) stipendium, hvilket delvist understøttede hans nanorod-forskning.

Mindre er altid bedre, når det kommer til metalliske nanorods, Huang siger. Ædelmetaller undergår grundlæggende ændringer på 10 nanometer diameter skalaen.

"Når vi tænker på guld, vi ser, at dens farve er guld, " siger Huang. "Men når du går under 10 nanometer i diameter, du begynder at se lilla guld, blå guld, grønt guld, og alle slags farver. Når du går under 10 nanometer, grundstoffet bliver også kemisk reaktivt. Dens egenskaber ændrer sig. Du kan begynde at kontrollere dens elektriske ledningsevne."

At have nanorods, der er klart adskilte, er også nøglen, Huang siger. Når stængerne er tætmasket sammen, det er svært at tilføje noget til dem individuelt. Men hvis de er godt adskilt, du kan sætte en ring eller en belægning på dem, yderligere at forbedre deres egenskaber og potentiale.

"Dette var noget, der ikke var muligt før, " siger Huang. "Med opdagelsen, vores kolleger kan nu belægge billigere nanorods med en meget dyr katalysator til ting som avancerede brændselscelleteknologier. Det her er meget spændende."

Max G. Lagally, Erwin W. Mueller professor og Bascom professor i overfladevidenskab ved University of Wisconsin-Madison, siger, at Huangs arbejde med metalliske nanostrukturer har fremmet forskernes forståelse af vækstprocessen.

"Hanchen har viet meget af sin indsats i de sidste 10 år til at forstå på et atomistisk niveau væksten af ​​metalliske nanostrukturer, og har vist hvordan, i særdeleshed, trin formidler væksten …, " siger Lagally. "Professor Huang har taget disse koncepter et skridt videre her for at demonstrere, hvordan eksistensen af ​​trin kan bruges til at kontrollere størrelsen af ​​nanorods, især hvordan man gør dem ekstremt tynde. Værket er fascinerende og hviler på sunde teoretiske principper."

Forskerholdets primære mål var at definere den videnskabelige ramme bag væksten af ​​metallisk nanorod og vise, teoretisk set, hvor meget tynde nanorods kunne dyrkes. At dyrke klart adskilte nanorods med en diameter på 10 nanometer var en ekstra belønning - og en de næsten savnede.

En af særhederne ved at arbejde med nanorods på niveauet 10 nanometer i diameter er, at du næsten ikke kan se dem under de fleste mikroskoper. Også, da guld nanorods citeret i undersøgelsen først blev lavet, de så grønne ud. Da Stagon placerede materialet under et scanningselektronmikroskop for at få et bedre overblik, i første omgang så han kun et gråt felt.

"Det tester virkelig opløsningsgrænsen for ethvert scanningselektronmikroskop, " siger Stagon. "Heldigvis, mikroskopet på UConns Center for Clean Energy Engineering er blandt de bedste."

Stagon siger, at oplevelsen har lært ham fuldt ud at værdsætte fordelene ved grundlæggende ingeniørvidenskab, og hvor afgørende det er for at fremme teknologi og industri. Hans langsigtede mål er at være professor, så han kan videregive vigtigheden af ​​kernevidenskab til andre spirende ingeniører.

Niu siger, at projektet er "det vigtigste og mest spændende arbejde", han nogensinde har udført.

"Der er mange afledninger i matematik, " siger Niu, som for nylig blev forfremmet til adjunkt forskningsprofessor. "Når du endelig finder ligningen, når du ser på det, og det er så enkelt og smukt, og så laver du simuleringer og resultaterne afspejler ligningen, Jeg kan ikke beskrive, hvor glad det gør dig."

Huang siger, at Stagons og Nius succes afspejler UConns og dets seniorfakultetets forpligtelse til at rekruttere og støtte førsteklasses kandidatstuderende og post-doc-forskere. Føderale embedsmænd har anerkendt styrken af ​​UConns graduate-programmer ved at udstede 13 GAANN-stipendier til UConn kandidatstuderende i løbet af de sidste syv år.

"Vi er meget opmærksomme på vores kandidatuddannelse og postdoc-studerende, Huang tilføjer. "Ikke kun har vi succes med at tiltrække ekstremt talentfulde amerikanske og internationale studerende, vi har også meget succes med at fastholde dem gennem prestigefyldte stipendier og anden støtte. De er afgørende for både vores forskningssucces og vores universitetsmission, fordi vi trods alt er en uddannelsesinstitution, og vores mission er at skabe et miljø for den næste generation af ingeniører og forberede dem til deres fremtidige karriere."