Forskere afslører mystisk mekanisme bag knurhårkrystalvækst

Forskere fra Tokyo Metropolitan University har opdaget mekanismen bag den hurtige vækst af ultratynde nanotråde eller "whiskers" i organiske forbindelser. Nanotråde er både en ønskværdig teknologisk innovation og en fare, når de kortslutter elektronik:At forstå, hvordan de vokser, er afgørende for applikationer. Mærkeligt nok viste det sig, at filamenter voksede fra store krystallinske fronter ved at følge gasbobler. Det er vigtigt, at sporurenheder undertrykker bobledannelse og knurhårvækst, hvilket tillader kontrol over krystalstrukturen.

Nanotråde er ultratynde filamenter af krystallinsk materiale, der lover spændende nye anvendelser inden for elektronik, katalyse og energigenerering. De kan også vokse spontant, hvor de ikke ønskes, og bygge bro over isolerende barrierer og kortslutte elektroniske kredsløb. At få styr på, hvordan de vokser, er et vigtigt teknologisk problem, men den nøjagtige mekanisme er stadig ukendt.

Et team bestående af professor Rei Kurita, adjunkt Marie Tani og Takumi Yashima fra Tokyo Metropolitan University har set på krystalvækst i o-terphenyl og salol, begge typiske organiske forbindelser, der udviser whiskerkrystaller, den hurtige vækst af tynde filamenter fra fronter af krystallinsk materiale, når det er afkølet. Ved nøje inspektion opdagede de, at hvert filament havde en lille boble i spidsen. Det lykkedes dem at vise, at denne boble ikke bare var en urenhed eller blot blandet i luft, men en lillebitte kapsel af gas af den samme organiske forbindelse. I stedet for at molekyler i væsken blot aflejrede sig på en voksende front som ved normal krystalvækst, blev den overført til gassen inde i boblen, før den blev fastgjort til spidsen af ​​filamentet, et helt anderledes billede end standardbilledet af frysning i væsker. Dette førte til en hidtil uset hurtig vækst, som også kunne reproduceres inde i tynde glaskapillærer for en mere kontrolleret vækst af nanotråde.

I forhold til selve bobledannelsen fandt holdet, at den store densitetsforskel mellem krystal og væske i disse forbindelser havde en rolle at spille. Ved at gentage eksperimenterne med andre væsker, som ikke havde så stor en forskel, fandt de ingen knurhårvækst. De begrundede, at den krystallinske front var tilbøjelig til at være hjemsted for inhomogeniteter med stor tæthed, hvilket i sidste ende førte til kavitation, den spontane dannelse af gasbobler, som fortsætter med at føde knurhår.

Efter at have opdaget, hvad der forårsagede filamentvækst, gik holdet i gang med at få en vis kontrol over fænomenet ved at undertrykke bobledannelse. De tilføjede en lille mængde urenhed i materialet for at undertrykke kavitation. Sikkert nok, da boblerne forsvandt, forsvandt knurhårene også, hvilket muliggjorde den langsommere, men knurhårfri vækst af store bidder af ensartet krystallinsk materiale.

Med hidtil uset tunerbarhed og en forståelse af fysikken bag processen lover holdets arbejde nye tilgange til at dyrke nanofilamenter til teknologiske anvendelser og forskellige strategier til at beskytte elektronik og batterier mod potentielt farlige shorts udløst af whiskerkrystaller. Forskningen er publiceret i Scientific Reports . + Udforsk yderligere

En ny metode til at studere lithiumdendritter kan føre til bedre, sikrere batterier