Forskere opdager, at grafenspiraler kan udfordre makrosolenoider

I drevet til at miniaturisere elektronik, solenoider er blevet alt for store, siger forskere fra Rice University, der opdagede den væsentlige komponent, kan nedskaleres til nano-størrelse med makro-skala ydeevne.

Hemmeligheden er i en spiralform af atom-tynd grafen, der, bemærkelsesværdigt, findes i naturen, ifølge Rice -teoretiske fysiker Boris Yakobson og hans kolleger.

"Som regel, vi bestemmer egenskaberne for materialer, som vi tror kan være mulige at lave, men denne gang ser vi på en konfiguration, der allerede findes, "Sagde Yakobson." Disse spiraler, eller skrueforskridelser, dannes naturligt i grafit under dets vækst, selv i almindeligt kul. "

Forskerne fastslog, at når en spænding påføres, strøm vil flyde rundt om spiralformet bane og producere et magnetfelt, som det gør i makroinduktor-solenoider. Opdagelsen er detaljeret i et nyt papir i American Chemical Society -tidsskriftet Nano bogstaver .

"Man kan sammenligne strukturen med en højhusparkering for elektroner-men uden parkeringspladser, så elektronerne kører bare igennem, "Sagde Yakobson." Eller man kan sige, at den ligner Archimedes 'skrue - som roterer for at pumpe vand op ad bakke - men i stedet er fyldt med elektricitet.

"Måske virker dette her omvendt:En elektronstrøm, pumpes igennem af den påførte spænding, under visse betingelser kan bare få grafenspiralen til at dreje, som en hurtig lille elektroturbine, " han sagde.

Solenoider er tråde, der er viklet omkring en metallisk kerne. De producerer et magnetfelt, når de bærer strøm, gør dem til elektromagneter. Disse er udbredt i elektroniske og mekaniske enheder, fra printkort til transformere til biler. De fungerer også som induktorer, primære komponenter i elektriske kredsløb, der regulerer strøm, og i deres mindste form er en del af integrerede kredsløb. (Klumpen i strømkabler, der fodrer elektroniske enheder, indeholder induktorer.)

Mens transistorer bliver støt mindre, grundlæggende induktorer i elektronik er blevet relativt omfangsrige, sagde Fangbo Xu, en risalumnus og hovedforfatter af papiret. "Det er det samme inde i kredsløbene, "sagde han." Kommercielle spiralinduktorer på silicium indtager et for stort område. Hvis realiseret, grafen nano-solenoider kunne ændre det. "

Nano-solenoiderne analyseret gennem computermodeller hos Rice burde være i stand til at producere kraftige magnetfelter på omkring 1 tesla, omtrent det samme som spolerne i typiske højttalere, ifølge Yakobson og hans team. De fandt ud af, at magnetfeltet ville være stærkest i hulrummet, nanometer-bredt hulrum i spiralens centrum.

Spiralformen kan tilskrives et simpelt topologisk trick, han sagde. Graphen er lavet af sekskantede arrays af carbonatomer. Misdannede sekskanter kendt som dislokationer langs den ene kant tvinger grafen til at vride sig selv, beslægtet med et kontinuerligt nanoribbon, der efterligner en matematisk konstruktion kendt som en Riemann -overflade.

Forskerne demonstrerede teoretisk, hvordan energi ville strømme gennem sekskanterne i nano-solenoider med kanter i enten lænestol eller zigzagformationer. I et tilfælde, de bestemte udførelsen af ​​en konventionel spiralinduktor på 205 mikrometer i diameter kunne matches med en nano-solenoid 70 nanometer bred-næsten 10, 000, 000 gange mindre.

Fordi grafen ikke har noget energibåndsgab (hvilket giver et materiale halvledende egenskaber), elektricitet skal bevæge sig igennem uden barrierer. Men faktisk, spiralens bredde og kanternes konfiguration - enten lænestol eller zigzag - påvirker, hvordan strømmen fordeles, og dermed dens induktive egenskaber.

Forskerne foreslog, at det skulle være muligt at isolere grafenskrueforskridelser fra krystaller af grafitisk kulstof (grafen i bulkform), men at lokke grafenplader til at vokse i en spiral ville muliggøre bedre kontrol af dets egenskaber, Sagde Yakobson.

Xu foreslog nano-solenoider kan også være nyttige som molekylære relæer eller omskiftelige fælder for magnetiske molekyler eller radikaler i kemiske sonder.