Materialer til den næste generation af elektronik og fotovoltaik

Et af de mangeårige problemer med at arbejde med nanomaterialer - stoffer i molekylær og atomskala - er at kontrollere deres størrelse. Når deres størrelse ændres, deres egenskaber ændrer sig også. Dette tyder på, at ensartet kontrol over størrelsen er kritisk for at kunne bruge dem pålideligt som komponenter i elektronik.

Sagt på en anden måde, "hvis du ikke kontrollerer størrelsen, du vil have inhomogenitet i ydeevne, "siger Mark Hersam." Du vil ikke have, at nogle af dine mobiltelefoner fungerer, og andre ikke. "

Hersam, professor i materialevidenskabsteknik, kemi og medicin ved Northwestern University, har udviklet en metode til at adskille nanomaterialer efter størrelse, giver derfor en konsistens i ejendomme, der ellers ikke er tilgængelige. I øvrigt, løsningen kom direkte fra biovidenskaben - biokemi, faktisk.

Teknikken, kendt som densitet gradient ultracentrifugering, er en årtier gammel proces, der bruges til at adskille biomolekyler. National Science Foundation (NSF) -finansieret videnskabsmand teoretiserede korrekt, at han kunne tilpasse det til separate kulstofnanorør, rullede grafenplader (et enkelt atomlag af hexagonalt bundne carbonatomer), længe anerkendt for deres potentielle applikationer i computere og tablets, smartphones og andre bærbare enheder, solceller, batterier og bioimaging.

Teknikken har vist sig så succesrig, at Hersam og hans team nu har to dusin verserende eller udstedte patenter, og i 2007 etablerede deres eget firma, NanoIntegris, startede med en $ 150, 000 NSF -støtte til små virksomheder. Virksomheden har været i stand til at skalere produktionen med 10, 000 gange, og har i øjeblikket 700 kunder i 40 lande.

"Vi har nu kapacitet til at producere ti gange den globale efterspørgsel efter dette materiale, "Siger Hersam.

NSF understøtter Hersam med $ 640, 000 individuelle efterforskertilskud tildelt i 2010 for fem år. Også, han leder Northwestern's Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), som NSF finansierer, inklusive støtte til cirka 30 fakultetsmedlemmer/forskere.

Hersam er også nylig modtager af et af dette års prestigefyldte MacArthur -stipendier, $ 625, - 000 no-strings-knyttet pris, populært kendt som et "geni" -tilskud. Disse går til talentfulde personer, der har vist ekstraordinær originalitet og dedikation inden for deres områder, og har til formål at tilskynde støttemodtagere til frit at undersøge deres interesser uden frygt for risikotagning.

"Dette vil give os mulighed for at tage flere risici i vores forskning, da der ikke er nogen 'milepæle', vi skal møde, " han siger, med henvisning til et hyppigt krav fra mange finansierere. ”Jeg har også en stor interesse for at undervise, så jeg vil bruge midlerne til at påvirke så mange studerende som muligt. "

Carbon nanorør separationsprocessen, som Hersam udviklede, begynder med et centrifugerør. Ind i det, "vi indlæser en vandbaseret opløsning og introducerer et additiv, der giver os mulighed for at justere den flydende densitet af selve opløsningen, "forklarer han.

"Det, vi skaber, er en gradient i den flydende densitet af den vandige opløsning, med lav densitet i toppen og høj densitet i bunden, "fortsætter han." Vi indlæser derefter carbon -nanorørene og sætter det i centrifugen, som driver nanorørene gennem gradienten. Nanorørene bevæger sig gennem gradienten, indtil deres tæthed matcher gradientens. Resultatet er, at nanorørene danner adskilte bånd i centrifugerøret efter densitet. Da tætheden af ​​nanorøret er en funktion af dets diameter, denne metode tillader adskillelse efter diameter. "

En egenskab, der adskiller disse materialer fra traditionelle halvledere som silicium, er, at de er mekanisk fleksible. "Carbon nanorør er meget modstandsdygtige, "Siger Hersam." Det giver os mulighed for at integrere elektronik på fleksible underlag, som tøj, sko, og håndledsbånd til overvågning i realtid af biomedicinsk diagnostik og atletisk præstation. Disse materialer har den rigtige kombination af egenskaber til at realisere bærbar elektronik. "

Han og hans kolleger arbejder også på energiteknologier, såsom solceller og batterier ", der kan forbedre effektiviteten og reducere omkostningerne ved solceller, og øge kapaciteten og reducere batteriets opladningstid, "siger han." De resulterende batterier og solceller er også mekanisk fleksible, og kan dermed integreres med fleksibel elektronik. "

De vil sandsynligvis endda vise sig at være vandtætte. "Det viser sig, at carbon nanomaterialer er hydrofobe, så vand vil trille lige ud af dem, " han siger.

Materialer i nanometerskala nu "kan realisere nye egenskaber og kombinationer af egenskaber, der er uden fortilfælde, "tilføjer han." Dette vil ikke kun forbedre de nuværende teknologier, men muliggøre nye teknologier i fremtiden. "