Sne falder anderledes på nanoskalaen

Denne tid af året er det ikke svært at forestille sig, at verden er begravet under et glat snedække. Et picnicbord på en flad græsplæne forsvinder til sidst, da billioner af snefnug samler sig omkring det, et krystallinsk ark, der skjuler de normalt synlige toppe og dale i vores sommerverden.

Det er dybest set, hvordan videnskabsmænd forstår den klassiske teori om krystallinsk vækst. Højdetrin forsvinder gradvist, efterhånden som atomer af et givet materiale - det være sig sne eller kobber eller aluminium - samles på en overflade og vælter derefter ned til lavere højder for at udfylde hullerne. Det eneste problem med denne teori er, at den falder totalt fra hinanden, når den anvendes i ekstremt små situationer - dvs. nanoskalaen.

Hanchen Huang, professor og formand for Institut for Maskin- og Industriteknik, har brugt de sidste 10 år på at revidere den klassiske teori om krystalvækst, der forklarer hans observationer af nanorod-krystaller. Hans arbejde har høstet den fortsatte støtte fra USA, Institut for Energis grundlæggende energividenskabelige kerneprogram.

Nanorods er små fibre dyrket vinkelret på et substrat, hver enkelt omkring 100, 000 gange tyndere end et menneskehår. Overfladetrin, eller de mindre variationer i det lodrette landskab af det pågældende substrat, bestemme, hvordan stængerne vil vokse.

"Selv hvis nogle overfladetrin er tættere og andre mere fra hinanden i starten, med tiden forudsiger den klassiske teori, at de bliver mere udlignet, " sagde Huang. "Men vi fandt ud af, at den klassiske teori savnede en positiv feedback-mekanisme."

Denne mekanisme, forklarede han, får trinnene til at "klynge, " gør det sværere for atomer at falde fra et højere trin til et lavere. Så, i stedet for at udfylde højdespalterne på en variabel overflade, atomer i en nanorod-krystal lokaliseres til de højeste niveauer.

"Den højere region bliver højere, " sagde Huang. "Det er ligesom, hvis du nogensinde spiller basketball, du ved, at de højere fyre vil få flere rebounds." Det er dybest set, hvad der sker med nanorod-vækst.

Huangs teori, som blev offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve dette år, repræsenterer første gang nogen har givet en teoretisk ramme til at forstå nanorod krystalvækst. "Der er brugt masser af penge i de sidste årtier på nanovidenskab og nanoteknologi, " sagde Huang. "Men vi kan kun gøre det til virkelige applikationer, hvis vi forstår videnskaben."

Ja, hans bidrag til at forstå videnskaben gjorde det muligt for ham og hans kolleger at forudsige den mindst mulige størrelse for kobber nanorods og derefter med succes syntetisere dem. Ikke alene er de de mindste nanorods, der nogensinde er produceret, men med Huangs teori kan han trygt sige, at de er de mindste mulige nanorods ved brug af fysisk dampaflejring.

Materialet har store konsekvenser for kommercielle applikationer, inklusive en slags metallisk lim, der kan smelte to stykker metal sammen ved stuetemperatur, i det omgivende miljø, og med meget lille trykpåvirkning. Denne teknologi kan muliggøre omgivende lodning uden behov for giftigt bly, og kan derfor være yderst værdifuld for halvlederindustrien, som præger samfundet gennem den allestedsnærværende brug af håndholdte og andre computerenheder.