Nanorør står i kø for at danne film

En simpel filtreringsproces hjalp Rice University-forskere med at skabe fleksible, wafer-skala film af højt afstemte og tætpakkede carbon nanorør.

Forskere hos Rice, med støtte fra Los Alamos National Laboratory, har lavet tommer brede film af tætpakket, chiralitetsberigede enkeltvæggede kulstofnanorør gennem en proces, der i dag afsløres i Natur nanoteknologi .

I den rigtige opløsning af nanorør og under de rigtige forhold, rørene samler sig selv i millioner i lange rækker, der er justeret bedre end engang troede muligt, rapporterede forskerne.

De tynde film giver mulighed for at lave fleksible elektroniske og fotoniske (lysmanipulerende) enheder, sagde risfysiker Junichiro Kono, hvis laboratorium ledede undersøgelsen. Tænk på en bøjelig computerchip, snarere end en sprød silicium, og potentialet bliver tydeligt, han sagde.

"Når vi først har centimeterstore krystaller, der består af enkelt-chiralitets nanorør, det er det, " sagde Kono. "Det er den hellige gral for denne mark. I de sidste 20 år, folk har ledt efter dette."

Rislaboratoriet lukker ind, han sagde, men filmene rapporteret i det aktuelle papir er "chirality-berigede" snarere end single-chirality. Et kulstof nanorør er en cylinder af grafen, med dets atomer arrangeret i sekskanter. Hvordan sekskanterne drejes, bestemmer rørets chiralitet, og det bestemmer dens elektroniske egenskaber. Nogle er halvledende som silicium, og andre er metalliske ledere.

En film af perfekt afstemt, single-chirality nanorør ville have specifikke elektroniske egenskaber. At kontrollere chiraliteten ville give mulighed for tunbare film, Kono sagde, men nanorør vokser i partier af tilfældige typer.

For nu, ris-forskerne bruger en simpel proces udviklet af National Institute of Standards and Technology til at adskille nanorør ved chiralitet. Selvom det ikke er perfekt, det var godt nok at lade forskerne lave berigede film med nanorør af forskellige typer og diametre og derefter lave terahertz-polarisatorer og elektroniske transistorer.

Rice-laboratoriet opdagede filtreringsteknikken i slutningen af ​​2013, da kandidatstuderende og hovedforfatterne Xiaowei He og Weilu Gao utilsigtet tilføjede en smule for meget vand til en nanorør-overfladeaktivt stofsuspension, før de førte den gennem et filter assisteret af vakuum. (Overfladeaktive stoffer forhindrer, at nanorør i en opløsning klumper sig.)

Filmen, der dannede sig på papirfilteret, blev undersøgt yderligere. "Weilu tjekkede filmen med et scanningselektronmikroskop og så noget mærkeligt, " sagde han. I stedet for at falde tilfældigt ned på papiret som pickup-pinde, nanorørene - millioner af dem - var kommet tæt sammen, afstemte rækker.

"Det første billede gav os et fingerpeg om, at vi kunne have noget helt andet, " sagde han. Et år og mere end 100 film senere, eleverne og deres kolleger havde forfinet deres teknik til at lave nanorørskiver op til en tomme brede (kun begrænset af størrelsen på deres udstyr) og af enhver tykkelse, fra få til hundredvis af nanometer.

Yderligere eksperimenter viste, at hvert element havde betydning:typen af ​​filterpapir, vakuumtrykket og koncentrationen af ​​nanorør og overfladeaktivt stof. Nanorør af enhver chiralitet og diameter arbejdede, men hver krævede justeringer af de andre elementer for at optimere justeringen.

Filmene kan adskilles fra papiret og vaskes og tørres til brug, sagde forskerne.

De formoder, at flervæggede kulstofnanorør og ikke-kulstofnanorør som bornitrid også ville fungere.

Medforfatter Wade Adams, en senior fakultetsstipendiat hos Rice, der har specialiseret sig i polymervidenskab, sagde opdagelsen er et skridt fremad i en lang søgen efter tilpassede strukturer.

"De dannede det, der kaldes et monodomæne i flydende krystalteknologi, hvor alle de stive molekyler stiller op i samme retning, " sagde Adams. "Det er forbløffende. (Den afdøde Rice Nobelpristager) Rick Smalley og jeg arbejdede meget hårdt i årevis for at lave en enkelt krystal af nanorør, men disse elever har faktisk gjort det på en måde, som ingen af ​​os nogensinde havde forestillet os."

Hvorfor står nanorørene på linje? Kono sagde, at holdet stadig undersøger kernedannelsens mekanik - det vil sige, hvordan de første par nanorør på papiret samles. "Vi tror, ​​at nanorørene falder tilfældigt i starten, men de kan stadig glide rundt på papiret, " sagde han. "Van der Waals kraft bringer dem sammen, og de søger naturligvis deres laveste energitilstand, som er på linje." Fordi nanorørene varierer i længde, forskerne har mistanke om, at udhængene tvinger andre rør til at stille op, når de slutter sig til arrayet.

Forskerne fandt ud af, at deres færdige film kunne mønstres med standard litografiteknikker. Det er endnu et plus for producenterne, sagde Kono, som begyndte at høre buzz om opdagelsen måneder før avisens udgivelse.

"Jeg holdt en inviteret tale om vores arbejde på en kulstof nanorør-konference, og mange mennesker forsøger allerede at reproducere vores resultater, " sagde han. "Jeg fik så meget entusiastisk respons lige efter min tale. Alle bad om opskriften."