Reaktioner i bittesmå beholdere - mod verdens mindste koaksialkabel

Efterhånden som elektroniske enheder fortsætter med at skrumpe for at imødekomme efterspørgslen efter lommestørrelse og bærbar teknologi, videnskabsmænd arbejder på at udvikle de små komponenter, der får dem til at fungere, og et team på University of Nottingham har udviklet en ny tilgang til fremstilling af et koaksialkabel omkring 50, 000 gange smallere end bredden af ​​et menneskehår.

Denne lille ledning – bestående af et kulstof-nanorør placeret inde i et bornitrid-nanorør – kan fremstilles i en forberedende skala og kan repræsentere et vigtigt skridt i retning af miniaturisering af elektroniske enheder.

Det multinationale team af eksperter fra Storbritannien og Ungarn, blev i fællesskab ledet af Andrei Khlobystov, en professor i nanomaterialer og direktør for University of Nottingham's Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC), og Graham Rance, en forskningsstipendiat i karakterisering af nanomaterialer ved nmRC, som besidder komplementær ekspertise i syntese og karakterisering af kulstof nanomaterialer. Undersøgelsen med titlen 'Growth of carbon nano tubes inside bornitrid nano tubes by coalescence of fullerenes:toward the world's smallest coaxial cable' er blevet offentliggjort i Små metoder , et nyt tidsskrift fokuseret på banebrydende udvikling inden for eksperimentelle tilgange til produktion af nano- og mikroskala materialer.

Koaksialkabler - afgørende for sikker transport af elektrisk strøm, som driver moderne enheder - består typisk af en indre leder (normalt kobber) omgivet af en isolerende plastkappe. Imidlertid, efterhånden som forbrugernes efterspørgsel efter mindre elektroniske enheder stiger, grænsen, til hvilken disse nuværende materialer kan anvendes, er hurtigt ved at blive nået. Kobber, for eksempel, er kendt for at miste sin høje ledningsevne, når den nedskaleres til meget små størrelser og dermed bliver nye materialer stadig vigtigere.

Miniature ledninger

Carbon nanorør er stærke, letvægts og, mest vigtigt, stærkt elektrisk ledende miniature ledninger, typisk 1-5 nanometer i diameter, men op til centimeter i længden, og er ideelle til kernen af ​​et isoleret nanoskala kabel. Bornitrid nanorør, mens den strukturelt ligner kulstof nanorør, til sammenligning er elektrisk isolerende, perfekt til at omgive den ledende kerne. Udfordringen var at arrangere disse to nanoskala materialer inden i hinanden i den nødvendige koaksiale geometri. Denne forskning har vist, at ved at placere små, fodboldformet, kulstofrige molekyler (C60-fullerener) inde i bornitrid-nanorør og opvarmer de resulterende materialer til meget høje temperaturer (over 1000 oC), fullerenerne omdannes spontant til kulstof nanorør, fører til dannelsen af ​​et elektrisk ledende kulstof nanorør inde i et elektrisk isolerende bornitrid nanorør – verdens mindste koaksialkabel.

Professor Khlobystov sagde:"I øjeblikket er de fleste moderne teknologier stærkt afhængige af brugen af ​​metaller, hvoraf nogle bliver mere og mere sjældne og dyrere. Derfor, der er behov for at arbejde hen imod at erstatte metaller med mere rigelige og bæredygtige elementer, såsom kulstof og andre lette elementer. Vores undersøgelse demonstrerer princippet om, hvordan kabler i nanoskala med ledende kerner og isolerende skaller kan fremstilles af simple ingredienser. Den næste udfordring er at teste deres elektriske og mekaniske egenskaber for at bestemme omfanget af disse materialer til teknologiske anvendelser."

Bredvidde applikationer

Dr. Rance sagde:"Vores tilgang til fremstilling af et miniaturiseret koaksialkabel udforsker yderligere evnen af ​​hule nanoskala tubuli til at kontrollere dannelsen af ​​nye og interessante nanostrukturer inde i det indre hulrum, nogle, der ikke kan tilberedes på anden vis. På et grundlæggende plan, denne forskning hjælper os med at forstå molekylers adfærd, når de er begrænset til meget små rum; imidlertid, på et mere praktisk plan, vi forventer, at denne strategi vil føre til produktion af nye materialer, med potentielt bred vifte af applikationer, fra nanoskala elektronik, til katalytiske materialer og i sensorenheder."

Forskningen blev udført af eksperter i syntetisk og analytisk kemi, materialevidenskab og elektronmikroskopi og bygger konceptet med carbon nano reagensglas udviklet af Prof. Khlobystov (Verdens mindste reagensglas, Guinness Verdensrekordbog 2005), hvor nanorøret samtidig fungerer som en beholder for molekyler og en reaktionsbeholder for kemiske transformationer. Hans banebrydende arbejde med kulstof-nano-beholdere og nano-reaktorer fører fortsat til nye måder at styre molekylær samling og studere kemiske reaktioner på.

Professor Katalin Kamaras, Forskningsprofessor og ekspert i vibrationsspektroskopi samarbejdede om forskningen, med sit team, der arbejder på Wigner Research Center for Physics ved det ungarske videnskabsakademi i Budapest. Professor Kamaras sagde:"Min forskergruppe har arbejdet med spektroskopi af kulstofnanostrukturer i lang tid. Spektroskopi giver viden om de indkapslede molekylers indre dynamik og kan følge deres transformationer baseret på deres fysiske egenskaber. Gennem vores samarbejde med Prof. Khlobystov blev det muligt at "se" de strukturer, vi kun havde indirekte information om. Denne fælles forskning har potentialet til at åbne nye muligheder inden for både grundlæggende og anvendt materialevidenskab."

Den britiske forskning blev udført på det avancerede Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC). Centrets vision er at blive en verdensførende facilitet til karakterisering og analyse af molekylære materialer på nano- og mikroskala. Med en unik suite af 20 store instrumenter er centret bemandet af eksperter med medicinsk, videnskabelig og ingeniørmæssig baggrund. De arbejder i øjeblikket på en bred vifte af forskning fra kræftceller og 3-D printede medicinske implantater til halvledere og solceller.