Nye måder at lave ordnede wafer-skala chirale carbon nanorør-arkitekturer

Chirale materialer interagerer med lys på meget præcise måder, der er nyttige til at bygge bedre skærme, sensorer og mere kraftfulde enheder. Imidlertid er tekniske egenskaber såsom chiralitet pålideligt i skala stadig en væsentlig udfordring inden for nanoteknologi.

Rice University-forskere i laboratoriet i Junichiro Kono har udviklet to måder at fremstille wafer-skala syntetiske chirale carbon nanorør (CNT) samlinger ud fra achirale blandinger. Ifølge en undersøgelse offentliggjort i Nature Communications , kan den resulterende "tornado" og "snoede-og-stablede" tynde film kontrollere ellipticitet - en egenskab ved polariseret lys - til et niveau og i et område af spektret, som tidligere stort set var uden for rækkevidde.

"Disse tilgange har givet os muligheden for bevidst og konsekvent at introducere chiralitet til materialer, som indtil nu ikke har udvist denne egenskab i en makroskopisk skala," sagde Jacques Doumani, en kandidatstuderende i anvendt fysik ved Rice og hovedforfatteren af undersøgelse. "Vores metoder giver tynde, fleksible film med justerbare chirale egenskaber."

CNT'er - hule cylindriske strukturer lavet af kulstofatomer - har bemærkelsesværdige elektriske, mekaniske, termiske og optiske egenskaber. En enkeltvægget CNT har en diameter, der er cirka 100.000 gange mindre end et enkelt menneskehår.

Problemet er, at de fleste måder at lave CNT'er på i større mængder, hvilket er nødvendigt til brug i adskillige applikationer, typisk giver heterogene, uordnede nanorørsamlinger. Sådanne tilfældige arkitekturer reducerer et materiales samlede ydeevne.

Evnen til at skabe store nok mængder af film, hvor nanorørene har samme diameter og orientering, kan fremme innovation på tværs af en bred vifte af domæner, fra informationssystemer til medicinske eller energimæssige applikationer.

"I tidligere forskning har vi vist, at vores vakuumfiltreringsteknik kan opnå næsten perfekt justering af kulstofnanorør i betydelige skalaer," sagde Kono, professor i ingeniørvidenskab ved Karl F. Hasselmann, professor i elektro- og computerteknik og materialevidenskab og nanoteknik og en af avisens hovedefterforskere. "Denne forskning giver os mulighed for at tage det arbejde i en spændende ny retning ved at introducere chiralitet."

Opdagelsen af, at bevægelse kunne give et chiralt twist på et velordnet CNT-arrangement, skete helt tilfældigt.

"Det var bogstaveligt talt en uventet drejning," sagde Doumani og fortalte, hvordan en rystende pumpe placeret på samme bord som vakuumfiltreringssystemet forårsagede utilsigtede vibrationer, som sårede laget af justerede CNT'er til en tornadolignende spiral.

"Disse vibrationer havde en dybtgående indflydelse på arkitekturen af ​​de samlede kulstofnanorør, hvilket fik os til at udforske og forfine dette nyfundne fænomen yderligere," sagde han. "Denne tilfældige opdagelse gjorde det muligt for os at erkende, at vi kan designe kulstofnanorørsarkitekturer med ønskede egenskaber ved at justere rotationsvinkler og rysteforhold."

Kono sammenlignede den resulterende chirale symmetri af CNT-samlingerne med et "kunstværk."

"Jeg er især stolt af Jacques for at forfølge opdagelsen af, at vi kan kombinere kulstof-nanorørfiltrering og rystning for at justere egenskaberne ved disse film i waferskala," sagde Kono.

Den anden metode til at opnå chiralitet involverede stabling af højt justerede CNT-film i en vinkel ved at kontrollere antallet af lag og snoede vinkler.

"Vi opnåede en bemærkelsesværdig milepæl i det dybe ultraviolette område, hvor vi satte en ny rekord for elliptiskhed," sagde Doumani. "Hvad mere er, sammenlignet med konkurrenter på dette område er vores teknik meget enkel at sætte op. Vi behøver ikke et komplekst system for at lave disse film."

Teknikkerne kan bruges til at konstruere materialer til nye optoelektroniske enheder, såsom LED'er, lasere, solceller og fotodetektorer. Det er også et setup, der potentielt kan bruges til at lave chiral film i wafer-skala ved hjælp af andre nanomaterialer såsom bornitrid-nanorør og wolframdiselenid-nanorør.

"Denne opdagelse lover for forskellige applikationer," sagde Doumani. "Inden for lægemidler og biomedicin tilbyder det potentiale inden for biosensing, dybhavsbilleddannelse og identifikation af nyttige forbindelser. Inden for kommunikation kan det forbedre missildetektion, sikre kommunikationskanaler og styrke anti-interferenskapaciteter. Inden for kvantecomputerteknik baner det vejen for mere deterministisk foton-emitter kobling.

"Vi er glade for også at udvide denne teknik til andre typer nanomaterialer."

Flere oplysninger: Jacques Doumani et al., Engineering chirity på wafer-skala med ordnede kulstof-nanorør-arkitekturer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43199-x

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Rice University