Forskere finder ud af, hvordan man dyrker kulstof nanorør med specifikke atomare strukturer

Flyt dig, silicium. I et gennembrud i jagten på den næste generation af computere og materialer, forskere ved USC har løst en langvarig udfordring med kulstof nanorør:hvordan man faktisk bygger dem med specifikke, forudsigelige atomare strukturer.

"Vi løser et grundlæggende problem med kulstofnanorøret, " sagde Chongwu Zhou, professor i Ming Hsieh Department of Electrical Engineering ved USC Viterbi School of Engineering og tilsvarende forfatter til undersøgelsen offentliggjort 23. august i tidsskriftet Nano bogstaver . "For at være i stand til at kontrollere atomstrukturen, eller chiralitet, af nanorør har dybest set været vores drøm, en drøm på nanorørsområdet."

Hvis dette er en alder bygget på silicium, så kan den næste være bygget på kulstof nanorør, som har vist lovende i alt fra optik til energilagring til touchskærme. Ikke kun er nanorør gennemsigtige, men denne forskningsopdagelse om, hvordan man kontrollerer atomstrukturen af ​​nanorør, vil bane vejen for computere, der er mindre, hurtigere og mere energieffektive end dem, der er afhængige af siliciumtransistorer.

"Vi arbejder nu på at opskalere processen, " sagde Zhou. "Vores metode kan revoutionisere feltet og markant skubbe de reelle anvendelser af nanorør frem på mange områder."

Indtil nu, videnskabsmænd var ude af stand til at "dyrke" kulstofnanorør med specifikke egenskaber - f.eks metalliske snarere end halvledende - i stedet for at blive blandet, tilfældige partier og derefter sortering af dem. Sorteringsprocessen forkortede også nanorørene betydeligt, gør materialet mindre praktisk til mange anvendelser.

I mere end tre år, USC-teamet har arbejdet på ideen om at bruge disse korte sorterede nanorør som "frø" til at dyrke længere nanorør, forlænge dem ved høje temperaturer for at få den ønskede atomare struktur.

Et papir sidste år af samme hold i Naturkommunikation skitserede teknikken, og i strømmen Nano bogstaver papir, forskerne rapporterer om deres seneste store succes:at identificere "vækstopskrifterne" til at bygge kulstofnanorør med specifikke atomare strukturer.

"Vi identificerer de mekanismer, der kræves til masseamplifikation af nanorør, " sagde medforfatter Jia Liu, en doktorgradsstuderende i kemi ved USC Dornsife College of Letters, Kunst og Videnskab, mindes det øjeblik, hvor alene i et mørkt rum, hun så endelig de spektrale data, der understøtter deres metode. "Det var mit Eureka-øjeblik."

"For at forstå nanorørs vækstadfærd giver os mulighed for at producere større mængder af nanorør og bedre kontrollere den vækst, " fortsatte hun.

Hver defineret type kulstof nanorør har en frekvens, hvormed den udvider sig og trækker sig sammen. Forskerne viste, at de nyvoksede nanorør havde den samme atomare struktur ved at matche Raman-frekvensen.

"Dette er et meget spændende felt, og dette var det sværeste problem, " sagde co-lead forfatter Bilu Liu, en postdoc-forsker ved USC Viterbi School of Engineering. "Jeg mødte professor Zhou [senior forfatter af papiret] på en konference, og han sagde, at han ønskede at tackle udfordringen med at kontrollere atomstrukturen af ​​nanorør. Det var det, der bragte mig til hans laboratorium, fordi det var den største udfordring."

Ud over, undersøgelsen viste, at nanorør med forskellige strukturer også opfører sig meget forskelligt under deres vækst, med nogle nanorørstrukturer, der vokser hurtigere, og andre vokser længere under visse forhold.

"Tidligere var det meget svært at kontrollere chiraliteten, eller atomstruktur, af nanorør, især ved brug af metal nanopartikler, " sagde Bilu Liu. "Strukturerne kan se ret ens ud, men egenskaberne er meget forskellige. I dette papir afkoder vi atomstrukturen af ​​nanorør og viser, hvordan man kontrollerer præcis den atomare struktur."